【2022年度“科普中国青年之星创作大赛”】人类第一部科幻电影中的科学分析

【摘要】1902年，梅里埃导演的《月球旅行记》上映，开启了科幻电影世界的大门。如今，百年岁月已过，人们是否如同电影一般登陆月球呢？让我们跟随文章，一起开始月球之旅。

今年暑期档，沈腾的《独行月球》火爆全院线。优秀的剧情和特效，让其成为了继《流浪地球》之后的第二部科幻爆款电影，激起了人们一轮又一轮的讨论。科幻电影，自从诞生以来，就是抒发人类想象力的平台，而其始祖，追根溯源是1902年乔治·梅里爱指导的《月球旅行记》。虽然从现代的眼光来看，《月球旅行记》拍摄粗糙，手法也不高明，但是作为科幻片的开山之作，《月球旅行记》为后世提供许多新颖的题材和畅想，在科学性方面，更是将宏伟的人类登月计划预演了一遍。

一、登月的方式

在影片的开始，乔治·梅里爱主要讲述了这样一个故事：天文学院院长在会议上提出来要用一门大炮将人类送上月球。这个问题立刻一石激起千层浪，引起了所有在场人员的亲切讨论（亲密的肢体接触）。最终，院长和他的几个支持者参加了这个疯狂的计划，并且打造了登月大炮。在110年前的1902年，这个设想是非常超前的，因为一年以后人类才发明出了飞机；而齐奥尔科夫斯基还尚未发布他的火箭公式；距离爱因斯坦奇迹年还有3年。直到1969年，人类才第一次登陆月球，只不过，人类并没有采用大炮登月的形式，而是使用化学能火箭。

要登陆月球，首先就要飞出地球。那么，飞出地球的速度是多少呢？根据齐奥尔科夫斯基的多级火箭公式，我们现在知道飞出地球需要达到7.9公里/秒的速度。在1902年，这个速度可谓是天文数字，几乎没有任何物体能够达到第一宇宙速度，除了以火药为动力的炮弹。因而，在影片之中，乔治梅里埃也采用了这一创想。不过，火炮登月的创想虽然很新颖，但是却并不能真正帮助人类登陆月球，主要原因就是惯性的作用。举例来说，在平稳加速的公交车上，乘客可能感觉不到车子正在运行，但是，当车子突然急刹车的时候，人们就会往前冲，这就是惯性的作用，也就是牛顿第一定律。同理，在炮弹里的人也一样，当炮膛里的火药被点燃后，炮弹的运动状态发生改变，人的运动状态也会发生改变。这个时候，惯性如同一个险恶的拳击手，狠狠地作用在成员身上，最终杀死成员。因此，要真正登陆月球，人们还要采用更加稳妥的加速方式。

既然人类无法让承受瞬时的加速度，那么，如果把速度分时间加上的话，那么情况是不是会好很多呢？于是，火箭应运而生了。相比较于炮弹，火箭的加速更加平稳，于是更加能适合载人航天的需要。在1969年，阿波罗11号的成员们就是坐着有冯·布劳恩设计的土星五号火箭升上太空登陆月球的。土星五号是一个庞然大物，它拥有着110.6米的高度，10.1米的直径，发射质量3039吨。这是什么概念呢？作为对比，美国在40年代制造的驱逐舰巴格里号，它的满载排水量也就1500吨，土星五号的发射质量相当于两艘驱逐舰的质量！而阿波罗飞船就在土星五号的顶端，在火箭点火后的8分钟后，利用齐奥尔科夫斯基提出的多级火箭公式，巨大的火箭就能带着成员们飞出地球的大气层，克服地球的引力，进入奔向月球的征程。

二、月球人与月球生命？

在影片之中，当天文学家们进入炮弹后，随着一声巨响，炮弹带着天文学家们冲出了地球家园，在很短的时间内，一头扎向了月球松软的土地。由于突如其来的袭击，甚至月球自己（拟人化）还没反应过来，被戳中了一只眼睛，这也是本片海报的由来，也成为了电影历史上的经典一幕。在登陆月球之后，天文学家们感受到了月球的天气变化，呼吸了月球的大气，甚至还休息了一会，之后见到了月球下雪和奇特的月球植物，还遇见了月球人，发生了很多有趣的事情。那么，月球上是否真的存在着生命呢，它的表面究竟是一种怎么样的光景呢？

早在人类登月之前，1966年2月，苏联人发射的月球9号探测器成功软着陆月球，并且用它的摄像头拍摄了人类历史上第一幅近距离的月球地表照片。月球9号的成功着陆代表了月球表面并非松软的流沙，而是坚固的，人类可以在上面登陆行走，但是传回的照片同时也显示月球表面十分的荒凉，只有无尽的砂石反射着阳光。随着探测器传回的数据越来越多，如今，人类对于月球已经十分了解。作为直径只有地球1/4（1737.10KM），质量只有地球1/81（7.3477*10^22kg）的天然卫星，月球并不存在液态水和空气，更别提月球人和月球植物了。

不过，尽管月球表面的条件是如此的恶劣，但是面对首次从月球回来的人类，人们依旧采用了严格的隔离措施，防止可能的月球微生物侵入地球。在地球上，我们就拥有着能够在极端条件下生存的生物，例如水熊虫。这种生物生命力顽强。最显著的特征是对不良环境具有极强的忍耐能力，在干旱时，它们可将身体含水量由正常的85%降至3%，此时运动停止，身体萎缩。这种状态下，缓步动物可以抵御恶劣的环境达数年之久，如极限温度、电离辐射、缺氧等，当环境好转时，身体再复苏，这种现象称隐生。因此，为了确保绝对的安全，即便是风光无两的登月宇航员也只能在隔离舱里和尼克松总统对话。不过随着人类对于月球的认识不断加深，我们最终没有在月球上发现任何生命的踪迹，在阿波罗14号之后，人们就不再对登月宇航员进行隔离了。

三、重返地球和月球特产

在影片的最后，天文学家们摆脱了月球人的追击，最终成功的在悬崖上利用地球的“重力”返回到了地球之上，降落在了大海之中，还成功带回来一个月球人，随后，这群天文学家们受到了英雄一般的欢迎。如此天马行空的想象让现在的人们惊叹不已，尤其是导演选择将登月炮弹降落在大海之中，几乎预演了阿波罗计划的降落过程。当然，现实中从月球返回的过程并不是像电影中所表现的那么简单，作为一个系统性的工程，返回时的难度不亚于登月过程中的每一个步骤。

2020年11月24日，我国的长征五号运载火箭搭载着嫦娥五号探测器成功发射，这也是我国第一次月球采样任务，也是月球探测计“绕落回”计划中最后的一步计划。经过23天的长途跋涉，最终返回器在12月17日成功着陆于内蒙古四子王旗预订区域。而在嫦娥五号返回的时候，就遇到了一个比较棘手的问题，那就是返回时速度太快，甚至超过的第二宇宙速度（10.9千米/秒），直接降落的话可能导致飞船烧毁，又或者是大大增加热防护罩的结构重量。因此，我国的科学家们创新的采用半弹道跳跃的降落返回方式，仿佛打水漂一般，利用地球大气进行减速，最终释放降落伞成功降落。

虽然现实生活中并没有月球人可以带回来，但是我们的探测器和飞船却带回了很多月球特产——月壤与月球岩石，其中，我国通过嫦娥五号月球探测器获得了1731克的月壤。这些月球上特有的土壤存在着许多天然元素和矿物颗粒，如铁、金、银、铅、锌等，结构松散。地球土壤的形成结果不同，月壤的物理性质主要是玄武岩和斜长岩物理崩解的结果，这是多年来持续的流星撞击和太阳及星际带电粒子轰击所造成的，是一种物理风化作用。通过研究月壤，我们不仅能够了解月球的组成成分，在未来还能利用月壤的性质，利用本地材料去建造月球建筑，为月球基地的建造打下了坚实基础。

随着人群的欢呼声，电影在登月结束后就落幕了。梅里埃用剪辑特效为科幻电影打开了新世界的大门，天马行空的想象，既预演了人类登月的史诗，又抒发了人类对于地外世界和地外生命的思考。在这部电影发布110年后的今天。人类通过阿波罗计划、月球计划和嫦娥计划，已经对月球有了一个详细的了解。尽管月球没有《月球旅行记》中所描绘的拥有大气、水和生命，但是，月球却是我们探索宇宙的第一站，还将为人类探索火星的使命奠定基础。这一次，我们不仅要插上旗帜、留下脚印；不仅要派出月球探测器和月球车；不仅要取回月球的土壤，还要将自己的足迹踏遍星空，最终踏平坎坷，直取苍穹！

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