科幻電影《沙丘》背后的科學邏輯，你知道多少？
廣闊的大地上，沙漠流淌著蛇形波紋，微風揚起一縷縷黃塵。遠處暗青色的天上，兩輪明月照耀，一大一小，懸浮如巨大而蒼白的幽靈。一位女子身穿長袍，在沙脊上漫步。暮野四合，風鼓動著她的衣擺……
這幅畫面，是最近上映的科幻電影《沙丘》中反復出現(xiàn)的意象。
神秘主義、政治陰謀、科技倫理……或許是《沙丘》的主旨。不過，在精致的視聽語言背后，其實有更多科學邏輯可供解讀。
在《沙丘》的世界，上萬年后，人類已經在銀河系中找到了許多行星。它們有的霧靄沉沉，有的綠樹如蔭，但毫無疑問，地質構造和大氣成分都適合人類生存。
的確，銀河系中，能夠承載生命的行星或許是恒河沙數(shù)。截止這個月初，人類已經在太陽系外發(fā)現(xiàn)了4843顆行星，它們分屬于3579個不同的行星系統(tǒng)。按照這個探測比例，僅在我們自己的星系里，繞著自己母星運轉的行星就有數(shù)千億之多。
1959年，華裔天文學家黃授書提出了文明生存的“宜居帶（habitable zone）”。離恒星太近的地方，熊熊烈焰，萬物枯涸；離恒星太遠的地方，冰天雪地，萬物凝凍。只有正好處于離母星不遠又不近區(qū)域里的行星，才能留存液態(tài)水，孕育我們已知的生命形式。一切天然適合人類生存的行星，只能在宜居帶內找到。
在太陽系的宜居帶中，地球是一顆奪目的藍寶石。她不負眾望，用覆蓋七層表面的液態(tài)水，孕育了璀璨的生命奇跡。而與我們乘坐的生命之舟并駕齊驅的，還有赤紅的火星和無數(shù)主帶小行星。按照最寬松的估計，它們的軌道可能也囊括在太陽系宜居帶中。人類的探測器紛飛穿梭，試圖在它們身上嗅到生命的氣息。
在迸濺到地球上的火星隕石里，人們甚至看到了形如細菌的化石結構。倘若有朝一日，我們真能在宇宙后院偶遇素未謀面的外星鄰居，那將是人類歷史上前所未有的重要時刻。
當然，要想像電影中那樣，移居外星輕松如搬隔壁小區(qū)，我們還有很長的路要走。影片中人類家族剛遷至沙丘星球，無需面罩便可自如呼吸，無需訓練便可自在行走。這意味著星球上的氣壓、氧氣濃度、重力等參數(shù)，都和地球相近。
根據(jù)2013年的研究，縱觀銀河系中的群星，每五顆類似太陽的恒星中，就有一顆擁有處在宜居帶、且和地球大小相仿（1-2倍）的行星。樂觀估計起來，銀河系中可能有超過一百億顆人類的“備用家園”。要在其中找到一顆“厄拉科斯”，似乎并非難事。
二
在電影的外太空鏡頭里，行星弧形的大地散發(fā)著金黃的色澤。當我們注視一顆固體星球，第一眼感受的是它反射陽光的能力——反照率（albedo）。
倘若一顆行星表面光滑如鏡，把照射的陽光悉數(shù)反射回太空，反照率就等于百分之百；倘若表面黑糙似炭，幾乎吸收了所有陽光，反照率就是零。在地球上，森林和海洋的反照率都低于百分之十，而沙漠是百分之四十。
照此來說，電影中厄拉科斯遍地黃沙，應當璀璨奪目：照在它身上的光線，近四成都被表面晶瑩的硅化物反射回外太空。相比之下，我們夜里驚嘆的明亮滿月，才僅僅反射了一成而已。
“我想用一個長鏡頭開始《沙丘》的拍攝，比奧遜·威爾斯《歷劫佳人》開頭的長鏡頭還要好。我希望能從最長的距離開始。整個鏡頭穿越宇宙……你會覺得你在穿越銀河系，在穿越銀河系的時候，看到一群海盜，正在搶劫一艘運輸香料的船，然后……戰(zhàn)斗。鏡頭向前，向前，向前……這樣一個長鏡頭?！?/p>
如果導演請一位天文學家來做顧問，或許會再加一幕：從行星系外圍看去，沙丘星球如一顆金黃的寶石，在漆黑的太空中熠熠閃耀。
既然有繽紛多彩的生態(tài)系統(tǒng)，厄拉科斯當然屬于宜居帶。按電影所述，它地表氣溫在三十到六十攝氏度之間，足以讓液態(tài)水穩(wěn)定存在。這或許該歸功于星球表面猛烈的沙塵暴：黑暗的高空沙霧阻擋入射的陽光，像海綿一樣吸收輻射，并且抑制地面能量反饋，凝結蒸騰的水蒸氣。
氣勢磅礴的沙塵暴，其實也源自天文過程：行星自轉。地表的物體按慣性沿直線運動，大地卻在不斷旋轉，緩慢地改變方向，導致物體的軌跡相對于大地稍稍朝一邊歪斜。在地球上，這種現(xiàn)象讓本該南北走向的信風朝東西吹拂，吹動了環(huán)繞地球的航海貿易；給熱帶氣流加上了旋轉，最終愈演愈烈，成為臺風登陸。
而在沙丘世界，它則鞭策起轟轟烈烈的冷熱對流，野馬塵埃，一小時八百公里，摶扶搖而上。
在地面上的人看來，物體運動憑空偏轉，好似受了某種無形的“地轉偏向力”。根據(jù)發(fā)現(xiàn)者的名字，有時也稱它為“科里奧利力”。因此，在片中我們才會聽到“科里奧利風暴（Coriolis Storm）”這樣的別稱。
2003年，科學家拍到火星阿西達里亞平原（Acidalia Planitia）的一場沙塵暴，飛沙吞噬的面積相當于地球上一個大洲?？磥恚粑磥淼娜祟愡w徙到鄰家星球，倒真可能會目睹電影里的壯觀景象。
連綿不絕的沙漠，渺小的建筑，神秘的原住民……這些不是第一次出現(xiàn)在銀幕上。1962年的另一部經典電影——《阿拉伯的勞倫斯》拍攝于壯美的中東沙漠，和《沙丘》一樣，也意圖觸摸影視藝術遼闊的極致。
片中特別令人印象深刻的，是個足足用一分鐘鋪陳的鏡頭：
遠處白沙與藍天相接，空無一物；慢慢地，出現(xiàn)了一個幾乎看不清的小黑點；熱浪顫抖，吞吐著地平線上若有若無的黑點；那黑點抖動著，伸展著，慢慢顏色加深，最終變成一個確定無疑的沙漠之舟，載著主角緩緩走來……
《沙丘》與《阿拉伯的勞倫斯》之間的聯(lián)系，其實極為深厚。后者的原型來自上世紀初一位英國軍官托馬斯·勞倫斯，他被英國派赴阿拉伯作戰(zhàn)，抗擊侵略該地的土耳其人。但他逐漸融入了當?shù)刎惗家蛉说?a href='/wenhua/' target=_blank>文化，轉而成為他們的精神伙伴，為阿拉伯人自己的權益而戰(zhàn)。
除此之外，私生子的身份、特殊的沙漠坐騎、文化特色的佩刀……對照《沙丘》，不難看出相似性。
《沙丘》原著，也從勞倫斯的個人回憶錄《智慧七柱》里借來了許多美感。例如《智慧七柱》第十四章：
“我們再次上路，沉重地穿過夜晚的寂靜——那靜謐如此濃烈，以至于我們不斷在鞍子上轉身，幻想自己聽見了那星星綴成的夜幕披風發(fā)出的遙遠聲響。但活力蘊藏著我們體內，蘊藏在我們穿過那些幽靈般的芬芳花朵時灌木叢的噼啪聲……月亮在群山頂上升起，描出石灰?guī)r層的輪廓，澄澈如晶瑩的白雪?！?/p>
《沙丘》第六章，幾乎是完全相同的情景：
“黎明前的寂靜籠罩了沙漠盆地。他抬頭看去。高懸在頭頂?shù)?，是亮片一樣的星星，點綴在深藍色的夜空披巾上。南邊的地平線上，低垂著此夜的第二輪月亮，透過薄薄的塵霧……發(fā)出晶瑩的光。月亮沉入防護墻的峭壁，為墻邊撒上了一層白霜?！吹揭淮髨F紅色的花朵，以及穿過它們的清晰紫色痕跡……好像巨大的腳印?！?/p>
不管是真實世界，還是幻想星球，月亮似乎都是作家繞不開的意象。
在真實世界，這種情況很難發(fā)生。當三顆天體彼此靠近，引力作用使它們形成著名的“三體”情形。除非采取某些特殊的構型，否則三顆天體的運動極難穩(wěn)定下去。要么互相吸引而撞毀，要么速度過高而逃逸。況且，這個行星系統(tǒng)的恒星還在拉著它們繞轉——這是個四方引力都不可忽略的混沌“四體”系統(tǒng)。
如此龐大的月球，引力作用也十分顯著。引力與質量成正比，而月球的質量足足相當于地球的1/81。在太陽系其他行星那里，衛(wèi)星質量只有行星的萬分之幾。例如擁有數(shù)十顆衛(wèi)星的木星，最大的衛(wèi)星不過占它質量的十萬分之八。這群“后宮佳麗”個個“人微言輕”，所以才得以和平共處。
人類的神話基于一個前提，便是我們一直看到的是同一面月亮。倘若月亮在天上旋轉，露出不同的側面，變化的圖案便很難附會成一套固定的故事。
在我們的地球上，月亮喚起潮汐。她的引力牽引著波濤，讓最靠近和最遠離她的水體漲起。與此同時，這部分水體的引力也在牽拉著月亮，使其軌道不斷變化。逐漸地，月亮的自轉周期和公轉周期趨向于相同；此后，她將永遠以同一面朝向地球，在地面上只能看到她的半張面孔。這個過程稱為“潮汐鎖定”。
潮汐鎖定原理示意圖 / 2005 Pearson Prentice Hall， Inc
我們的月亮早已被潮汐鎖定，所以我們看到的永遠是“月之亮面”。如此看來，載滿故事的沙丘大月亮，應當也已經與行星共存過了很長的時間。再考慮到它與小月亮的共存狀態(tài)不穩(wěn)定，看來，天文年代上來說，小月亮是剛飛進這個系統(tǒng)不久的“第三者”。
雖然沙丘星球上沒有海洋，但沙丘保護的地下水，也會產生呼應著月球運動的潮汐。另外，同樣是流體的大氣，也會因月球引力產生“氣體潮”的漲落。
地殼也會被月亮牽引，產生漲落，稱作“固體潮”。電影中，潛藏在沙丘中的巨大沙蟲，鱗甲能敏銳地感知沙體振動。兩個月亮牽動的不規(guī)則地殼運動，或許經常讓沙漠震顫，令它們震耳欲聾。
《沙丘》中的沙蟲 / 劇照
七
月海 / Wikipedia
月亮上的黑暗陰影，如今被稱為“月?！?。當然，它和真正的海沒有關系，是遠古時，月球被撞擊后流出巖漿，在低洼處凝結成暗色玄武巖。月球現(xiàn)在看起來平靜，但月海的存在證明，至少在數(shù)十億年前，她也曾經熾熱過。
而在沙丘世界，月亮似乎也不曾冷卻。
按照影片所述，沙丘星球的衛(wèi)星受到月亮磁場的強烈干擾。而目前主流理論認為，星球帶有磁場，是因為內部導電的流體物質（例如地球外核中熔融的金屬）對流，在科里奧利力的作用下旋轉，產生了感應磁場。因為這個過程和發(fā)電機類似，因此稱為“發(fā)電機原理”。
地球磁場成因示意圖 / Pinterest
所以，沙丘的月亮內部應當有類似于地球外核的巨大熔融區(qū)。在行星引力的作用下，月表會發(fā)生地質活動，甚至可能是大規(guī)模的火山爆發(fā)。那樣的話，即便是月亮的暗面，也會出現(xiàn)赤紅的火光斑紋。那將是一幅多么奇詭的畫面。
月球內部結構示意圖 / Wikipedia
月球內部結構示意圖 / Wikipedia
不過，在電影故事發(fā)生的日子里，兩個月亮幾乎都是滿月。它們彼此靠近，寧靜地放出和諧的光。
由于月亮反射的是太陽的光，所以它發(fā)光的那一面永遠指向太陽。當月相是滿月時，它必然處在天空中和太陽相對的一側。夜觀月亮，就像白天看太陽一樣，同樣可以判斷時間：滿月升起，夕陽落下；朝陽升起，滿月落下。
在影片中，月表的光影對應制作得非常準確。一瞥低垂的滿月，當?shù)厝司椭溃禾鞂⑵茣裕胰昭籽子挚靵淼健?/p>
1984年電影《沙丘》海報，相距如此遠的雙滿月是不可能出現(xiàn)的 / IMDB
最后，請注意一點：在解讀《沙丘》背后的科學邏輯時，我們一直沒有用到畫面以外的內容。也就是說，幾乎僅僅靠站在大地上雙眼所見的一切，我們就判斷出了行星的亮度、月亮的年齡、沙暴的成因……
在真實的地球上，我們也可以欣賞同樣的美景。幾千年前的古人使用肉眼和手工器具，就能相當準確地測量出地球、月球的半徑，甚至太陽的距離；能夠預測日月交食的時間，潮汐的變化；能夠判斷恒星的軌跡，行星逆行的周期……這一切如此自然，又像個奇跡。
你生命的意義是什么？
如果你臨大自然而居，它是否隱藏在——
一棵亭亭的樹里，
一群忙碌的工蜂里，
一朵盛放的花里，
刺穿黎明黑暗的太陽里？
抑或你居于都市？
想象力驚艷眾人，思緒卻集中于——
犯罪為生的年輕人，
漫長的工時與發(fā)薪日
快活一時的夜生活？
你不過是偉大磨坊主遺落的谷糠嗎？
還是無論居于何處，你的生活都有意義？
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