《地心引力》的真假物理学

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  向牛顿致敬
  《地心引力》的故事几乎全发生在太空,在一个完全失重的环境下,牛顿的三大力学定律得到了淋漓尽致的展现。
  在地球表面永远都会有一个竖直向下的力——重力。影片向我们直观展示了一个没有重力,没有因重力引起的压力,没有因压力引起的摩擦力的世界。
  如果在这没有重力的世界扔出一个东西,你将会看到古典物理学定律的基石之——牛顿第一定律。
  那东西将沿着一条直线飞离,如果它运气好一直没有碰上什么的话,它将永不减速,永不加速,永不转向,直到宇宙的尽头。(如果宇宙真的有尽头的话)那东西永远保持着你赋予它的速度。
  这就是为什么片中的卫星碎片会造成这么巨大的损害,因为它们在宇宙中飞行的时候,一直保持着被炸毁时所产生的极高速度。
  同样,影片随处都是利用第三定律也就是反作用力前行的例子。太空中没有因重力产生的摩擦力,人不能像在地面时那样正常行走,在航天飞机或是空间站里移动,就要靠对舱壁施加一个反向的力,来使自身获得一个向前的反作用力。斯通博士利用同样的原理靠一支灭火器的喷力接近了“天宫一号”。当然,电影之外的真实世界,这样操作的成功率可能还不如彩票中大奖——这么做的最大可能是旋转而不是飞行,除非她能让作用力的方向恰好穿过自己的重心。
  片中直到灭火器耗尽,她也未能到达“天宫一号”,于是她扔掉了灭火器的罐子,最后一次获得了反作用力。仔细看会注意到灭火器的速度要大于她的,这是因为她的质量大,同样大小的力产生的加速度小。同样这也解释了为什么在宇宙飞船内对舱壁施力,宇宙飞船并没有向灭火器一样反方向移动,因为宇宙飞船的质量远远大于人。这就是表达质量与加速度关系的第二定律。三大定律在影片中毫无遗漏地展现,直观而精确。
  bug也要找
  不过,因为这是一部商业电影而不是纪录片,自然不可避免地产生违反物理学的bug。全篇最大的bug是男主角的壮烈牺牲。他放手把生的希望留给别人,自己独自飘向宇宙。多么地崇高,多么地煽情……但是,在两人保持着那个仿佛千钧一发的动作时,他们已经静止了,即速度为零,而且这个时候他们的受力也为零,即使松手了两人的速度也还是都为零,一人不受控制地远离(坠落),留下另一人自责而绝望……这是在地球上具备地心引力时才有的情节。
  另外,不管是哈勃望远镜还是空间站,都有自己的轨道,它们距离非常非常远,甚至不在同一个球面上(以地心为球心),这种用哈勃就能看见并且到达“联盟号”或是“天宫一号”的情节,在现实中是绝不可能发生的。而“天宫一号”被碎片击中便急速下坠更是没有道理,看看同在影片中的哈勃和“联盟号”吧,打成了筛子后不还是保持了轨道?
  但如果以上情节全部严格按物理学定律设计,那么就没有了女主角独自面对绝境,没有了在坠入大气层前进入“天宫一号”的紧迫,甚至回到地球的路线完全不可能实现……那么我们坐在电影院里除了壮阔的宇宙,还能看什么呢?
  所以物理学很重要,但是比不上剧情需要,作为普通观众可以流泪,作为有科学常识的观众……只要微笑就可以了。
  神秘的太空
  神秘的太空生活是影片的一大看点,那是绝大多数普通人一生都无法体验的。生活与在地面上大不相同,甚至很多事物的形态都发生了改变。水不会顺流而下,甚至不会成为“水流”,因为没有了重力,液体的表面张力成为了最大的作用力,于是水就会变成“水滴”,是真正球形的水滴,漂浮在空气中,就像影片中那滴让人印象深刻的泪。但在实际的太空中眼泪是不会那样煽情地离开眼角,飘至空中的,因为没有使它离开的力,除非用毛巾擦掉,否则它会一直存在于眼角,这非常地不符合电影美学。不符合电影美学的还有头发,因为在完全失重的情况下所有东西都是漂浮的,女主角的头发是不会那么服服帖帖的,哪怕是短发也会飘起来,造型师一定会为此愤然辞职。
  同样呈球形的还有火的形状。在地球上,火焰呈我们所熟知的火苗形状是因为燃烧产生的热使空气膨胀变轻,在重力的作用下空气上薄下厚,形成火焰上尖下宽的形状。在太空中,空气是均匀分布的,火苗在不被气流及其他因素扰动的情况下便是均匀的球体。这就是影片“联盟号”中最初起火的火苗形状。
  太空是不适于人生存的空间。那里没有空气,没有声音,没有气压,没有温度……后面几项其实都是源于第一项:没有空气。
  没有空气,所以没有声音,因为声音靠介质传播。太空中除却宇宙尘埃,只有真空。
  没有空气,所以没有气压,这意味着你身体内的气压高于外界气压。其实我们的身体存在着气压,这是与地面环境相适应的。因为我们生活在空气中,笼罩在气压中,体内的气压与体外持平。当外界气压消失时,如果不借助宇航服维持体外气压的话,稍微想象一下一个充气过多的气球的结局吧。
  没有空气,所以没有温度。地球及其周围的宇宙空间受到了太阳同样的照射,温度却差之千里。这是因为大气具有保温作用,既能吸收来自太空(主要是太阳)的长波辐射,又能拦截地表向外放出的长波辐射,这才保持了我们赖以生存的温度。
  太空中的情怀
  影片的情节说不上有多少新意多少曲折多少峰回路转,但这场观影之旅却无疑是一场惊心动魄的体验,不仅是因为3D效果所呈现的宏大夺目的宇宙,更是因为影片所展现的意境与情怀。
  在影片2/3甚至更长的时间里,是斯通博士一个人的独角戏。作为所有人类中离地球最远的人,在好莱坞以其惯有的方式将厄运与灾难一次次地投掷到她身上时,她孤独、绝望甚至失控,没有人可以交流,甚至没有声音,来自地球的一丁点声音都会给她慰藉,哪怕电波那头是一个语言不通的人或一只狗。在一个没有声音、没有温度的环境里,人不可避免地会感到孤独。地球在身下几百公里的地方,除此之外全部是未知空间,漆黑,看不到尽头。影片通过剧情的设计与节奏的推进,将这种孤寂感发挥到了极致,也正是源于人类在宇宙中的孤寂感,促使人类探索宇宙。
  在这场太空史上空前绝后的归途中,斯通博士坚持了对生命的渴望,并最终完成了身体及心理上的自我救赎。在她回到地球仰望太空的时候,天空的颜色与在太空俯视地球的颜色相同,都是充满新生的蓝色。在空间站中仿若胎儿在子宫里的休憩姿势,以及回到地面时因为不适应地心引力的蹒跚脚步,无不暗喻着这是一场新生的过程。这是一场自我坚持、自我克服以及自我升华的传奇之旅。
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