揭秘电影《阿凡达》背后的科技含量

新科幻史诗影片《阿凡达》的导演卡梅隆担任过美国航天局顾问，曾经为火星任务设计合适的相机助过一臂之力，他以对待科学态度严谨而著称。那么他在《阿凡达》创作过程中的表现又如何？在这里，我们以电影科学的挑剔眼光来审视他是如何把艺术和科学合理地融为一体的。

网易探索1月6日报道 在詹姆斯·卡梅隆导演的新科幻史诗影片《阿凡达》中，人类已于2154年登上了外星。这部影片把我们带到异域风情浓郁的潘朵拉丛林，在那里作为外星人的人类与当地居民正酝酿一场激烈的冲突。导演卡梅隆担任过美国航天局顾问，曾经为火星任务设计合适的相机助过一臂之力，他以对待科学态度严谨而著称。那么他在本片创作过程中的表现又如何？在这里，我们以电影科学的挑剔眼光来审视他是如何把艺术和科学合理地融为一体的。
机械动力盔甲装置

影片中，人类驾驶着AMP（增强机动平台）穿行于雨林劳动、作战。（照片由20世纪福克斯公司提供）

电影中：这些装甲车除了有一个封闭的驾驶舱之外，其余方面与《黑客帝国3：矩阵革命》中的个人装甲系统和卡梅隆执导的另一部影片《外星人》中的动力装载机非常相似。驾驶员只要坐在座位上，其手脚的动作就会传送到车外其肢体的延伸部分，而且还会得到“增强”。驾驶者移动手臂几英寸，AMP金属臂会放大到10英尺。《阿凡达》装甲车的设计师泰·鲁本·埃林森在宣传片中介绍说：“超级液压装置的力量十分强大，可以像坦克一样碾碎任何建筑物。” AMP让驾驶员变成“大力士”，这些太空陆战队员手提30毫米大型自动火炮参加战斗，行动起来犹如扛着步枪一般轻松。斯坦·温斯顿工作室设计总监约翰·罗森格兰特把AMP形象地描述成‘长腿的阿帕奇’武装直升机。
现实中：几十年来，美军一直在研究动力盔甲装置，以便让士兵随身携带更多的装备，不仅是威力更大的火器，还可以用于救援工作和帮助伤员康复。作为DARPA（美国国防部高级研究计划局）的分支，美国陆军研究和发展中心自2000年以来一直在为包括雷神萨柯斯研究团队在内的人体动力盔甲装置计划提供资金支持。
他们开发的XOS机器，重150磅，可以装在人的手臂、胳膊和背部。这种铝质机器人利用水力学原理，可以让使用者数百次轻松地举起200磅的重物，而且佩戴者仍然可以非常轻巧地爬楼梯或踢足球。阻碍XOS系统开发的主要因素是该装置需要一个独立的电源，目前它需要通过外接电源提供动力。此外，麻省理工学院、加州大学伯克利分校和本田汽车等机构也在研发适用于下肢使用的类似机器装置。与此同时，日本的一家名叫CYBERDYNE的公司已经研究发明了钢铁侠式的人体辅助系统，帮助实施身体治疗，简称HAL（机器人辅助义肢）。
“类似《阿凡达》这样的电影可以启发我们憧憬各种可能性，”美国马萨诸塞州纳蒂克士兵研究开发与工程中心的戴维·奥迪特这样表示。他是士兵机动和任务增强小组的负责人，该小组在XOS装置的研发中起着重要作用。虽然电影中的AMP有“许多好莱坞元素”，但它还是告诉我们这种东西可以承担繁重的后勤杂物工作。奥迪特表示，它实际上“是一个不需要多加改动就能实施大规模攻击的基础平台。”
半人马座阿尔法星系

半人马座阿尔法星系（照片由MSX /伊帕克/美国航天局）

影片中：与我们的太阳非常相似的半人马座阿尔法甲发出淡黄色的光芒，光芒照耀下的是巨大的气态行星波吕斐摩斯和它的卫星 —— 炎热的潘多拉。在这个世界，草木葱郁，巨型怪兽出没于丛林，类似翼手龙的动物在天上翱翔。蓝皮肤纳美人世世代代在这里繁衍生息，而且学会了与自然和睦相处。
现实中：半人马座阿尔法甲是半人马座阿尔法星系的三颗恒星之一，距地球4.37光年，也是太阳系中距离我们最近的恒星。这位近在‘咫尺’的邻居时刻吸引着我们去一睹它的真容。去年1月，由耶鲁大学天文学家黛布拉·费希尔领衔的研究小组，利用安装在智利托洛洛山美洲天文台的1.5米孔径望远镜，开始了对人马座阿尔法星系为期5年半的研究。
她的小组正在寻找由轨道天体引力所致而产生的恒星光线波长节奏性变化的特点。这种“摇摆方式”已经排除了半人马座阿尔法星系周围存在类似于木星或土星般大小的行星(如《阿凡达》中的波吕斐摩斯)存在的可能性。不过费希尔表示，存在与地球质量接近之行星的“可能性非常大，因为我们对单个恒星周围行星形成的原因还知之甚少，更何况是三颗恒星构成的半人马座阿尔法星系了。在这个领域，我们的知识几乎是一片空白。”
在半人马座阿尔法星系的中心位置，有分别两颗分别被称为“Cen A”和“Cen B”的恒星，它们的轨道运行特征表明附近可能有行星的存在。两颗恒星引力间距最近时11个天文单位(天文单位是指从地球到太阳的平均距离)，最远36个天文单位。（第三颗被称作比邻星的红矮星，在相当远的距离之外绕这两颗恒星旋转，由于亮度太弱费希尔的团队无法对其进行研究，不过它也可能拥有质量较小的行星。）费希尔认为，正是由于这种结构，2个天文单位之外系外行星稳定运行的轨道会遭到另一颗恒星的破坏，最终脱离这个星系。


值得庆幸的是，如果半人马座阿尔法星系存在生命，它们遭受此厄运的可能性微乎其微。因为可居住区更靠近Cen A和Cen B。所谓的可居住区是指行星或者它的卫星上存在液态水而且温度既不太冷也不太热的区域。Cen A比太阳稍大，可居住区的范围大约有1.2个天文单位；Cen B的质量约为太阳的90%，可居住区范围有大约0.75个天文单位。
目前，对于半人马座阿尔法星系是否有类似于地球而且适合生命存在的区域，科学家仍然无法确定，但费希尔认为不久答案便可揭晓。她说：“四年之后（2012年），我们将会揭开它的谜底。”与此同时，日内瓦大学的著名‘行星猎手’米歇尔·迈耶和英国坎特伯雷大学的同行们正在全力以赴争取早日破解这个谜团。

反物质聚合动力飞船




星际旅行（照片由20世纪福克斯公司提供）

电影中：为了踏上通往半人马座阿尔法星的星际之旅，人类打造了近1英里长的太空飞船，此飞船使用了混合反物质聚合发动机。这种飞船的航行速度可达到7/10光速，即每小时6.7亿英里，然而，即便是以如此高的速度飞行，到达离地球最近的星球也要花费大约六年的时间。

现实中：作为推进器使用的一种能源，正常物质必然会与反物质粒子接触，并且被前者消灭，转变成一种纯能量。“这是人类所知道的最强大能量反应。” 美国宇航局科学家乔治·施密特介绍说。他一直从事先进推进系统的研究，现任俄亥俄州研究与技术理事会副主任。通过物质与反物质的湮灭而释放出的能量可以直接当作火箭尾部的推进剂，反物质可以诱导其他物质裂变(原子分裂)或者发生聚变反应(原子合并)，生成的燃料数量少却推力强大。然而，要到达26万亿英里之外的半人马座阿尔法星，携带和储存足够量的反物质难度极大，这种燃料不仅状态不稳定，而且耗资不菲。

首先，反物质材料的生成就不是一件轻而易举的事。瑞士日内瓦欧洲核子研究中心和美国芝加哥费米实验室的粒子加速器到目前为止生产出的反物质仅十几毫微克，不过应当承认，这些设施不是用来大量生成反物质的。施密特承认，按照目前的比例，每生产1毫微克的反物质代价为600亿美元，不过专业生产反物质材料的设施投资数十亿美元，每毫微克反粒子成本可以降低到600万美元。施密特评价说：“《阿凡达》的制作者能想到把混合核核动力作为燃料，我感到非常欣喜，因为与纯粹的反物质燃料火箭相比，这种设备需要的反物质数量更少。”不过施密特也指出，混合反物质聚变发动机产生的推力很可能达不到所需的7/10光速。

另一个技术障碍是反物质的储存问题。电磁场通过让反物质远离所谓的“彭宁离子阱”(Penning trap)的内壁来达到储存反物质的目的。但这一过程只能持续几个月，然后反物质会与容器持有区内的迷失物质粒子碰撞，而容器（到目前）还无法做成完全没有物质的真空。美国宾夕法尼亚州州立大学物理学荣誉教授杰拉尔德·史密斯如是说。他是总部设在圣达菲的正电子研究公司创始人，该公司目前正在研究反物质的应用。

总而言之，从地球前往半人马座阿尔法星球然后再返回地球，这样一趟星际旅行需耗时数年，燃料箱需要储存数千吨反物质，施密特认为这将成为一个大问题。另外，即使这些难题全解决了，飞船还会面临到达目的地之后如何减速的问题。“你可以来个漂亮的转身，”施密特说，让飞船以摇摆的姿势穿过星际重力区，然后利用反向的“弹弓效应”帮助减速。

一场灵魂出窍的经历




一场灵魂出窍的经历（照片由20世纪福克斯公司提供）

电影中：自从人类首次踏上潘多拉的土地，一晃三十年多年过去了，这期间人类开展了大规模的采矿活动，同时与视自然为神圣的纳美人关系越来越紧张。由于人类不能呼吸潘多拉的空气，两个种族之间的关系也愈加复杂。为了同纳美人搞好关系，“地球人资源开发管理局”推出了“阿凡达计划”，目的是想创造出半人类半纳美人的混血儿充当友好大使。在先进设备的帮助下，人类利用心灵感应“激活”了这个化身，让他像纳美人一样能适应潘多拉的环境。男主角杰克·萨利（由萨姆·沃辛顿饰）在双胞胎兄弟死后也加入了这个计划。在杰克看来，这场悲剧确实给他带来了些许安慰：在战场上身负重伤的他只能依靠轮椅代步，而此刻，杰克通过自己的化身重新恢复了行动能力。

现实中：在创造化身的最初阶段，进行了大量的研究，这项工作是将生物“湿件”(计算机专用朮语﹐指软件﹑硬件以外的其它“件”﹐即人脑﹐也通常指人脑和机器连接起来的设备)与机械硬件融合。这项研究的主要目标是创建人机界面，让像杰克这样的残疾人恢复活动能力。“影片《阿凡达》中展现的情景与我们目前正在从事的实验极其相似，” 美国杜克大学神经系统学家米格尔·尼古莱利斯说。他现在是总部设在巴西的“重新行走计划”的首席科学家，参与该计划的科学家来自多个国家。他们正在开发一种“神经假肢”，这套装在瘫痪者的身上的系统，可以接收大脑发出的指令。


去年，尼古莱利斯及其同事展示了这套迄今为止技术最先进的装置。在北卡罗来纳州的实验室，研究人员先在跑步机上训练一只猕猴直立行走。接着，他们通过安装在猕猴脑部的电极拾取神经信号，再通过互联网将这些信号连同视频一起传送到日本的实验室，那里的一个机器人做出了与猕猴一样的动作。尼古莱利斯说：“我们是在训练猴子利用脑电波控制它们自己的‘化身’。”

还有一些研究成果已经可以让灵长类动物去遥控机器人手臂，而植入人体的电极不仅可以发出合成语音，还能利用意念移动电脑鼠标。还有一些研究试图借助佩戴式界面绕过遭严重损毁的脊髓重新建立神经细胞线路，让身体肌肉功能重新与大脑建立联系。在影片《阿凡达》中，意念可以完整且准确无误地传递到另一具生物活体身上，这种理想目前尚无法实现。尼古莱利斯表示：“这确实有些不可思议。”

本文编译自/大众机械 译/widebridge 译言网供网易探索独家稿件，未经许可请勿转载。

期待观影

可以看看

呵呵，对未来充满的好奇。

未来难以想像