那些科幻电影带来的“烧脑”科学疑问

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  《超人:钢铁之躯》带来的疑问:

  一个人能有多强大?


  剧情:在这部最新超人电影中,身为农夫之子的超人发现了自己的力量,并从两个来自氪星、欲大搞破坏的疯狂恶棍手中拯救了地球。

  答案:超人或许能举起一辆公交车或一个石油平台,但是人类的力量相当有限。首先是肌肉的性质。人类能产生的最大力量依赖于我们的肌纤维如何工作。多年来,科学家从不同脊椎动物身上抽取肌肉并测试它们的能力。他们得到了一个经验法则:在横截面上,一块肌肉每平方厘米能产生大约30牛顿的力。南方卫理公会大学应用生理学家彼得·韦安德说:“因为进化是一个保守的过程,所有这些肌肉的成分基本上都是—样的。”


  然而为什么不制造更多肌肉呢?在某种程度上,人类多年来—直在这么做:我们的体力比500年前的人更强了。但我们无法让肌肉量超过某个限度,因为我们的骨骼不会支持其力量。肌腱尽管相当结实,也有极限一一每平方厘米1055千克拉力。人类或许正在接近运动表现的上限。

  肌肉的成分也会限制人类的表现。快肌纤维相比慢肌纤维能制造更多的力。通过训练,运动员或许能改变快慢肌纤维的比例,但是研究显示,有关比例在很大程度上是由遗传决定的。


  提高人类力量限制的途径之一是打造一个超越人类的运动员。不同的骨骼架构可以增加某些运动方面的优势。男性尼安德特人(旧石器时代生活在欧洲和西亚地区的史前类人生物)屈肘的力量比今天一般男性强三分之_。因此考虑超人时,要记得他来自氪星。像尼安德特人—样,他理论上不是人类,而是类人生物。因此他适用于不同的法则。


  《环太平洋》带来的疑问:


  为什么要用意念操控机器人?

  剧情:当巨型怪物在太平洋底浮现时,人类试图用巨大的作战机器人抵御它们。这些机器人由同神经接口相连的人类驾驶员操控。

  答案:当然,你可以像无人机驾驶员那样使用一个久经考验的接口。但是一个脑控接口(BCI)就酷多了。


  而且大体上,它还在改进:大脑信号向肌肉传播的速度存在生物化学上的限制,而在同怪物作战时,每毫秒都非常重要。

  BCI存在,科学家已经使用它们来控制机器人,但是它们非常笨拙。从_种脑波模式中很难得到一个清晰的信号,这会导致错误并会放慢反应速度。

  更好的BCI或许有一天会让四肢瘫痪者走路,或帮助由于重力原因而不能动的飞行员。即使BCI改进性能,它们也可能用途有限。科学家可以更加容易地创造对声音指令或眼部动作反应的接口,或许根本不需要接口。对于飞机和汽车来说,自动控制可能是更好的选择。


  对那些努力制造BCI的人来说,影片《环太平洋》中的驾驶员的确提供了一个有用的点子:他们两人一组操纵作战机器人,而他们的大脑通过一座“神经桥”相连。塞普尔韦达的团队刚刚就这个概念完成了一项试验。试验参与者被分成两组,他们被要求操纵一个宇宙飞船模拟器。当他们这么做时,软件将读取这两队成员的脑信号。通过整合神经信号,BCI排除了一些杂音,并以更大精确度操纵飞行。看起来两个大脑的确优于一个。

  《星际迷航:暗黑无界》带来的疑问:


  我们何时能得到“星际”中的武器?

  剧情:伦敦发生的一次恐怖主义爆炸引发了对星际联盟一名叛变人员的全球大搜捕。这名变节者的飞船同“进取号”之间展开了—场宇宙大战。

  答案:《星际迷航》中的移相器枪—直是星际迷热捧的对象。


  不过现实生活中,定向能武器或许很陕会投入战场。例如波音公司正在研发安装于卡车上的高能激光移动试验机,以抵御成群结队的无人机、导弹或追击炮袭击。国防专家不必为每个威胁发射价值100万美元以上的导弹。他们可以使用激光精准破坏多个目标。尽管烟雾可能影响激光的强度,但是激光不必考虑风速和风距,而且它们不会像炮弹那样跳飞,所以不会造成许多附带危险。

  波音公司还在测试—种较小型的“战术激光系统”。


  它可以装在海军舰船上的“密集阵”机关炮架上。其目的是保护舰船不受无人机群或较小型船队的袭击,方式是要么彻底摧毁它们,要么使用较低强度的激光束破坏敌方传感器。

  如何让射线枪小型化是个难题。例如,波音公司正在研发—种便携式的激光武器,这种武器能摧毁某些种类的目标。但是,这种武器也还没有小到可以替代突击步枪。它需要两名军人来搬动它。激光最适合从事隐蔽任务。它可以安置在偏僻的地方,并从那里进行射击。射击时发出的光和声响也是各种武器中最少的。

  制造手持定向能武器的最大挑战在于能源本身。一支100千瓦的激光武器在4秒钟的作战中能消耗两杯柴油。相比发射导弹,这算很便宜了o但是,—种步兵使用的多用途致命射线武器所要求的燃料必须有极大的能量密度。得到这种能量密度的燃料对今天的研究人员来说还只是一种梦想。

  《钢铁侠3》带来的疑问:


  外骨骼服装会飞吗?

  剧情:时髦的亿万富翁、发明家和超级英雄托尼·斯塔克面临一系列袭击。这些袭击是一个自称曼达林的国际恐怖分子发起的。

  答案:在影片中,斯塔克的战衣强大得令人难以置信。这是一个可穿着的武器系统,它能抛掷汽车,能制服战斗机。在现实世界里,这是将喷气发动机组和外骨骼这两种技术相结合的结果。在这两种技术中,外骨骼技术是更有前途的—个。就外骨骼而言,现在已经存在大量这类系统,它们都是一些为残疾人设计的装置或康复医疗装置。


  一些企业制造这种机动化设备来帮助残疾人。它们能代替穿着它们的人行走。于是,它们成了轮椅的更多才多艺的替代品。外骨骼可能还会有其他应用。在美国航天局,研究人员正在努力将它们同宇航服相结合。


  他们已经研发了一种此类宇航服。它最终将能让宇航员在火星上长途跋涉,但消耗的能量却很少。

  同时,火箭带(喷气发动机组的专业术语)的研发却处于相对停滞的状态。过去十年已经出现了少数模型,但都只是些公关噱头。这些系统在空中停留时间很短,因为它的燃料箱不到1分钟就空了o如果再加上外骨骼的重量,只会让问题更严重。

  至于外骨骼的未来,美国航天局工程师克里斯·贝克说:“今天的外骨骼系统将帮助在未来制造超人系统。我们研发的外骨骼系统可以用来增加力量。”外骨骼或许也可以飞行,而且不使用喷气动力机组。


  有益的怀疑:钢铁侠的喷气靴子可以在水下工作。这忽视了一个事实,即依靠燃烧的喷气系统被水淹后会熄火。美国国防部高级研究项目局2008年试图收集建议以制造潜水飞机,但是现在,这个项目似乎也被淹死了。

  《极乐世界》带来的疑问:


  人类可以长期在太空生活吗?

  剧情:2154年,最富有的人都生活在一个名叫“极乐世界”的豪华太空站中。一名男子则试图利用上流社会的救生技术来拯救依然生活在地球上饱受贫困和疾病折磨的普罗大众。

  答案:尽管这个想法引入入胜,但生活在太空却是非常困难的。失重会让人类的肌肉和骨量流失。辐射通常会缩短寿命。而生活在地球上时,地球的磁气圈会为我们阻隔这些辐射。因此《极乐世界》存在一个令人费解的问题:既然住在太空站会让地球最富有的人变得脆弱和更易患癌症,为什么他们要住在那里呢?

  在影片里,答案是,金钱万能。该太空站的保健系统超越了地球上的任何东西。那里有设备可以消除包括癌症在内的几乎所有疾病。至于失重问题,“极乐世界”是一个“斯坦福环”。居民生活在一个巨大的旋转轮子的内部,其离心力提供了类似地球重力那样的引力。


  理论上,“斯坦福环”是可行的,但是建造它实际上是不可能的。这需要将千百万吨材料投入轨道。美国航天局的约翰·查尔斯说:“殖民月球也比建造这个‘斯坦福环’容易。”消除生活在地球磁气圈的周边所产生的健康威胁也很难。今天国际空间站的宇航员在站内逗留十几天就可能吸收相当于在地球上时两到三年的辐射量。查尔斯说,一个较长久的居住地最有可能利用废水等现成材料来使辐射转向。最后,还要做很多工作来避免人体的衰弱。


  有益的怀疑:马特·达蒙手枪大小的轨道枪应该会让人产生怀疑。这种轨道枪的弹丸由电磁推动,发射需要大约10万安培的电流,以使枪达到较远的射程。这种设计实际上对于安装在战舰上的武器来说更合理,就像美国海军正在设计的武器那样。对于影响范围不会超过数公里的枪战来说,使用火药更实际。

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