《星球大战》里的科学

　　★前NASA天体物理学家珍妮·卡维洛斯对《星球大战》的科学解读。

　　★包含理解“星际旅行、系外行星、外星人、智能机器人和原力”的所有必知常识。

　　★如果《星球大战》是一部太空歌剧，本书则为这部歌剧搭建出现实的舞台。

　　前NASA天体物理学家珍妮·卡维洛斯对《星球大战》中各种科幻元素是否可以变为现实进行的一场科学畅想。她能把复杂的物理概念，如量子力学，虫洞，相对论等讲解得有趣而易于理解，她用通俗的语言，向读者解释了那些科幻与科学相互交叉的前沿知识，比如：星际旅行、具有思想和情感的机器人、可供人类居住的地外行星、奇异的智能生命形式、高科技武器和宇宙飞船。

　　书中回答了诸如这样的问题：

　　*像“千年隼号”这样的飞船如何在多维空间中进行星际穿越？

　　*能造出像“死星”这样摧毁整个星球的武器吗？

　　*为什么达斯·维达需要人工呼吸器？

　　*我们造出的机器人与C-3PO和R2-D2有多相像？

　　*能造出“光剑”吗？如果可以，它将如何工作？

　　*《星球大战》中的各种外星人看起来像“真正的”外星人吗？

　　*像塔图因星球一样的沙漠星球能诞生什么样的生命？

　　*我们能运用“原力”进行“意念移物”和心灵沟通吗？

　　珍妮·卡维洛斯（Jeanne Cavelos），前美国国家航空航天局（NASA）天体物理学家。也是一名科普作家，她出版过众多获奖和畅销书，曾获得“世界奇幻小说奖”和“文学先锋作品奖”。她说她首要的身份是一名《星球大战》粉丝，是《星球大战》刺激了她对太空和外星生命的探索。

1行星坏境

2外星人

3机器人

4飞船与武器

5原力

后记

　　2.外星人（选自本书第2章外星人）

　　你永远找不到一个比这里更加令人厌恶的人渣败类聚集地。

　　——欧比-旺·克诺比，《新希望》

　　一个黑乎乎、三角脑袋上嵌着闪着金光的眼睛的外星人忽然出现在本地的小酒馆里；古老、没有眼睛的蛞蝓潜伏在小行星内；头上挂着潜望镜的蛇形生物在死星的垃圾处理器里来来去去。

　　《星球大战》中一个最有意思的地方就是奇形怪状的外星生命频繁出现。“遥远的银河系”中几乎任何地方都有外星生命。你要么降落在它们中间，要么走在它们上面，要么被它们吃掉。塔图因沙丘上沙蛇的骨架回响着过去的声音；像龙一样的生物潜伏在纳布的水下洞穴中；R2掉进达戈巴的沼泽中，几乎马上被吃掉，可很快又被吐了出来。无论你走到哪里，无论你做什么，总会有一个外星生物在你身边。

　　卢克·天行者第一次进入那间小酒馆的时候，我们对外星人的认识以及科幻小说中描述它们的方式彻底改变了。我们不再会沉迷于单一的外星人形象。在卢卡斯的想象中，宇宙充满了生命，不仅许多行星都发展出了生命，而且在任何一个行星上，许多不同的生命都进化了，就像地球上的一样。即使是像塔图因、霍斯或者小行星那样不适宜居住的环境中，生命都想方设法生存了下来。

　　但是这些多种多样的环境中究竟孕育了怎样的生命呢？最近的科学发现让我们相信外星生命种类丰富。如果确实如此，它们会和《星球大战》中的外星人相似吗？宇宙真的是眼睛放光的贾瓦人、蠕动的赫特人、可爱的伊沃克人、饥饿的沙拉克、黏糊的迈诺克、呆萌的冈根人的家园吗？

　　外星人长什么样

　　在地球上，我们眼前有各种各样的生命—有叶子的生命体、有翅膀的生命体、有爪子的生命体、有蹼的生命体、有喙的生命体、有触角的生命体、有角的生命体、有刺的生命体、有鳞的生命体、有毛的生命体、有尖牙的生命体、有壳的生命体或是有黏液的生命体。生命体通过孢子、种子、分裂、互相交配、自体交配的方式繁衍。有的生命体住在其他生命体中；有的生命体依附在其他生命体外部生存；有的生活在水、空气、岩石、泥土、血液、稀泥中。在我们行星的历史中，存在过数亿种不同的物种，柯利弗德·皮寇弗博士说：“当我盯着长相惊人的甲壳类生物、湿软有触角的水母、怪异的雌雄同体蠕虫、黏糊糊的菌类这些比科幻小说作者狂野的想象更加复杂的生物时，我知道上帝是有幽默感的，我们将在宇宙中其他生命形式上看到他的幽默感。”

　　鉴于在我们这一个星球上就有如此多种多样的生物，外星人不太可能恰好有人类的特征和形态。《星球大战》中许多外星人都有人类的普遍形态，有两只干活的手、两条走路的腿、有长着感觉器官的脸，比如尤达大师、贾瓦人、沙人、加·加·宾克斯、万帕冰兽、格里多、阿克巴上将、云城的乌格瑙特人、蜥蜴赏金猎人博斯克、头上长触角的比布·福图纳、歌手西·斯努特尔斯、兰多的副驾驶尼恩·农布、丘巴卡、伊沃克人、酒吧乐队，和电影中其他各种各样的外星人。

　　然而《星球大战》也向我们展示了许多没有人类特征的外星人，比其他的科幻电影提供了更广泛的外星人类型，比如班萨、汤汤、沙蛇、沙拉克、赫特人、湿背蜥、迈诺克、太空蛞蝓等等。因此人们觉得《星球大战》十分真实、独特、具有生命力。加来道雄（MichioKaku）博士是纽约城市大学理论物理学教授，也是《超越时空》（Hyperspace）和《幻想》（Visions）的作者，他对此表示同意，说：“在《星球大战》中，外星人看起来不再和我们一样。他们尝试使外星人有不同的外形结构。从这个角度说，《星球大战》比我见过的一些东西更加真实。”但是这是外星生命真实的样子吗？

　　我们将来可能遇到的外星生命最有可能和地球细菌相似。38.5亿年前，地球上最先出现了细菌，在接下来的几十亿年里，细菌一直是地球上唯一的生命类型。直到10亿年前，多细胞生物才出现。6亿年前动物开始进化，仅在不久之前，地球上的物种才丰富起来。虽然现在地球上复杂的生命形式很普遍，但是细菌依旧占据了我们行星上生命的绝大多数。斯蒂芬博士认为我们在宇宙中寻找的原始和复杂生命形式有着相同的比例。“我认为我们未来会找到的行星和卫星，上面的许多生命才刚刚起步，甚至是类似于细菌的东西。”所以我们有可能遇见许多有原始生命形式的行星，和较少拥有复杂生命的行星。贾科斯基博士也得出了相同的结论：“地球生物花了30亿年的时间才从单一细胞生命体发展出了多细胞复杂生命体。这意味着那不是一个偶然事件。10亿年前复杂生命体刚一出现，地球就经历了迅速的生命多样性爆炸。一旦复杂的生命发展起来了，惊人的多样性就可能出现。”这样复杂的生命是什么样的呢？

　　为了弄清楚外星生命可能的样子，思考一下地球生命是如何发展成我们现在这副模样是很有用的。物种通过进化被创造出来。如果变异恰好是有利的，可以帮助生命体在其特有的环境中生存，这种变异就有可能会遗传下去，传递到后代身上。如果变异是有害的，生命体可能就会在有繁殖机会之前死亡，这样变异就会从基因库中消失。

　　进化不论是在基因方面还是生态方面，都包含了许多偶然情况。贾科斯基博士称这些偶然情况为“历史的意外”。变异的发生可以使鱼更加适应它所生存的小池塘。但它恰好生在干旱的一年，在它有机会繁殖之前，池塘干了，鱼死了，所以变异就没有被传下去。同一时候，另外一条鱼出生了，它身上的变异使它不是那么适应小池塘。正常情况下，之前那条鱼会把这条鱼当早餐吃了。但是因为池塘干涸了，第二条鱼可以在一段时间内在池塘外生存下来，这段时间足够它翻滚到几英尺之外没有干涸的更大的湖中。这条能在池塘和陆地之间移动的奇怪的鱼就可以生存和繁殖，也许成了所有脊椎动物，包括人类的祖先。但如果那一年多雨，并不干旱，这条鱼就不能存活下来，生物进化的方向就会改变。

　　杰克·科恩（JackCohen）博士是生殖生理学家、华威大学数学与生态学院的专家及顾问，他指出了鱼的一些有趣特征—离开水是在3亿年前出现的，鱼成了所有脊椎类动物的祖先。“在它的食道中穿插有气管，在它的消化系统中混杂有生殖器官。许多鱼身上都没有发生这些错误，发生了这些错误的一条鱼可能爬上了岸。”机遇在我们的发展中起到了重要的作用，创造了我们这些可以通过同一张口呼吸和吃东西、生殖系统和排泄系统合并在一起的生物。许多《星球大战》的外星人似乎身上都有这些错误—至少他们看起来都是用同一个口呼吸和吃饭，这似乎挺奇怪的。我们只能推断他们的生殖系统是怎样的。

　　这些“历史的意外”是怎样和其他星球结合起来的，这很难预测。蒂姆·怀特（TimWhite）博士是加州大学伯克利分校综合生物学的教授，他认为：“我们很难想象其他类型的生命是怎样的。动物通过进化适应它们的环境，我们不知道太阳系外的外星环境是怎样的。另外，时不时总有偶然事件打破生物与环境的平衡，因此生命的结构和它们的进化历程成为一件难以预测的事情。”

　　即便是和地球相似的行星也可能孕育截然不同的生命体。实际上，科学家认为如果6500万年前，恐龙没有被巨大的流星毁灭，人类就不可能进化出来。怀特博士说：“如果这件事或者那件事没有发生，我们甚至都不会在这里有这番谈话。”外星人很有可能比我们想象的更加奇特。柯利弗德·皮寇弗博士同意说：“章鱼、海参、管虫和松树与我们有密切的关系。和外星人比起来，鱿鱼可能还比较像我们一些。”

　　所以根本没有办法弄清楚外星人可能长什么样吗？外星人和我们一样都是生命形式，面临着和我们相似的问题—移动、感知、改造环境、成长和繁殖。适用于地球的解决方案应该也适用于“遥远的银河系”。因此，即使外星生命的进化途径和我们不一样，DNA和我们也不一样—如果它们有DNA—但我们和外星人可能也有相似的特征。

　　行星上的生命必须处理引力问题，这可能使得生命体有明确的头和尾。可以移动的复杂生命可能也有前和后。为了感知环境，生命体需要一种或者多种下列能力：觉察有用的电磁辐射光谱（视觉）；觉察四周大气的变化（听觉或嗅觉）；觉察热量和评估物体表面（触觉）；评估食物（味觉）。如果一个生命体必须寻找食物，那么将这些感知器官集中在生命体的前面就很合理。为了改造环境，复杂生命体需要肢体。

　　为了在环境中穿越，他们需要一些移动工具。某些对称结构会使得移动更加方便。但是有多大的概率，外星生物行动的方式像人一样用双腿；像长颈鹿一样用四肢；像蛇或者鱼一样用肌肉发达的躯干；像鸟或者昆虫一样使用翅膀；像章鱼一样使用触须；或者是通过其他方式移动呢？我们可以通过检验某特征在地球上独立进化出来的次数来了解该生物特征的普遍性或者可能性。在不同时间和地点发展出来的共同特征肯定特别有用或者有效。比如，飞行的特性在地球上发展出来了三次：一次是鸟，一次是昆虫，一次是蝙蝠。眼睛发展出来四次。所以这些特征更加有可能在另外一个星球出现。

　　柯利弗德·皮寇弗博士指出了三种不大相关的动物：哺乳动物海豚、鱼类三文鱼、灭绝的爬行动物鱼龙。“它们都在近海活动，四处游窜，搜寻小鱼吃。这些生物在生物化学、基因和进化上都毫不相关，但它们却有相似的外形。它们不过是有生命、能呼吸的鱼雷。它们进化出了流线型的身体来加快在水中前行的速度。我们可以认为，水中的外星生命也会以更小的、游得很快的猎物为食，它们也有流线型的身体。”有些生命特征在地球上只出现了一次，这让它们看起来似乎不太可能出现在其他的星球上。比如，虽然所有的陆地动物都发展出了获得水的方式，但是只有大象这一种动物使用长鼻子汲水。

　　斯蒂芬博士认为这些特征发展的方式很大程度上取决于物理限制，而物理限制是物理、化学、生物定律的结果。比如，让我们思考一下手指。如果外星人搭乘宇宙飞船到达地球，他们可能有多少根手指？一个具有智慧、能穿越宇宙的种族需要能够用肢体处理周围的事物，每个肢体末端有手指。海豚可能有智慧，但是它们从不生火，从不建造宇宙飞船。物理世界的现实会决定出最实用的手指数目。“有理想的数字吗？”斯蒂芬博士问，“答案是肯定的。”

　　一根手指明显在进行复杂任务的时候不实用。相似地，两根手指也不太好用，如果你曾经戴着两指手套做过精细活，你就会明白。斯蒂芬博士说：“如果你要做重要的操作，三根是最低起点。”如果三是最低数，最大数是多少呢？“如果你有七根或者八根手指，我想你会很难适应四肢末端有这么多手指，做事情会变得很别扭。”虽然我们没有做实验证明五是最好的数字，但是斯蒂芬博士认为五是最理想的。“科学家认识到，我们的两栖类祖先并没有五根手指，而是六根或者七根。进化和选择为我们决定了五根手指，这意味着五根从某种程度上来说是理想的。”斯蒂芬博士认为有智慧的外星人可能和我们一样有五根手指。

　　因为某些物理限制是宇宙普遍有效的，斯蒂芬博士总结说，虽然有智慧的外星人可能从各种不同种类的生命体进化而来，但他们可能和人十分相似。“找到一个长得和我们差不多的外星人的概率大概有80％之高。”

　　但是他似乎代表的是少数人的看法。科恩博士认为相反的观点才是对的。“找到另一个有我们地球恐龙或者人类的行星，比找到一个遥远的太平洋小岛，岛上人说得一口流利德语的可能性更低。”外星人可能经历了完全不一样的进化过程，经历了不同的“历史的意外”，导致了不同的适应方式。柯利弗德·皮寇弗博士认为类人的外星人“难以置信，《星球大战》中一些生物可能经历了完全不一样的进化路程，但他们看起来有点太像人类了”。对怀特博士来说，电影里这些有智慧的外星人最令人烦恼的特征就是他们大多数都是两足行走的。“两足行走和高智慧之间没有必然的联系。”加来博士则认为，有智慧的外星人只需要有三个重要元素：“对生拇指或者某种触手、用于交流的语言、可以搜寻和发现目标的立体成像的眼睛。”贾科斯基博士表示同意：“进化成人类并不是一种必然趋势，虽然所有的这些证据都表明了我们的结构是多么完美。”

　　虽然有人类特征的外星人数量可能挺多，但是《星球大战》也包含了许多不具备人类特征的生物。是外星人进化出了更多使他们更为相似的“普遍”特征，还是拥有了只出现过一次的进化特征，使你在别处再找不到这样的生物，还是他们发展出了独特的外星生命特征呢？

　　剑柄顶端的闪亮光束—什么是“等离子体”（选自本书第4章飞船与武器）

　　作为《星球大战》系列电影中举足轻重的标志性道具，光剑可能是科学家们最搞不清原理的武器了。不过作为一款凭靠原力（一种藐视科学定律的神秘能源，我们将在下一章内详述）驱动的佩剑来说，这似乎也是合情合理的。我第一次看《新希望》的时候才十七岁，当时我一直以为光剑是从剑柄上射出的一束激光。不过，正如我们上文中所讨论的那样，在被吸收、反射、弯折或消散前，激光会一直沿直线传播。而且，在无尘环境下，激光是无法用肉眼看到的。当两束激光相遇时，和两束从手电筒射出的光线没什么两样，只会彼此穿透。

　　相较于激光，等离子体（也叫电浆）倒是制造光剑的更优选择。等离子体是在超高温环境下加热后的气体。让我们回顾一下“电梯”例子中的电子知识。当气体加热时，气体的原子运动会不断加速，产生能量。与此同时，电子会获取越来越多的能量，在“摩天大楼”（能级）上越蹿越高，直到“顶破楼顶”（逃逸）。这样一来，电子就不再围绕原子核做轨道运动，而是脱离了束缚。那么，虽然等离子体的整体电荷量为零，但携带正负电荷的粒子—离子开始独立地自由运动。由于带电粒子会产生电磁场，故等离子体将和一般气体表现出不同的性质。

　　实际上，等离子体的性质太特殊，科学家们已经将之视作区别于气体、液体和固体的物质的第四种状态。由于电磁力的存在，离子可以在长距离内互相影响，因此，等离子体一端的离子运动通常会影响到另一端的离子。美国物理学家大卫·玻姆（DavidBohm）博士曾致力于等离子体的研究，他认为，等离子体的研究并不能着眼于单独的粒子，而是要将其视为一个有机集合。实际上，他甚至一直认为等离子体是“有生命的”。这样一来，等离子体就成了制造光剑的更优选择。

　　虽然等离子体听上去不大寻常，其实在我们身边俯拾皆是。所有的恒星，包括太阳在内，都是等离子体。大气层的最外层也是。我们能在球状闪电中发现等离子体，甚至在荧光管中实现了等离子体的应用。由于太阳、闪电和荧光管都能辐射光线，用等离子体制造的光剑就算能发光也不足为奇。当游离的电子再度回归原子核轨道的时候（即从摩天大楼的顶层跳下并发出尖利呼号的时候），等离子体就会射出光线。在大多数等离子体中，电子的逃逸和回归交替发生、循环往复。如果在两个电极之间放置一团等离子体，就会产生发光的电流，这就是荧光管的工作原理。光线的颜色取决于等离子体的构成及温度。

　　在第一章中，我们已经讨论了相似电荷的粒子—即离子在范艾伦辐射带内的运动行为。地球的磁场对离子加以捕获，并促成其围绕磁感线进行螺旋运动。磁感线在地球的两极更为密集，最终相聚合并。由于粒子的运动无法穿越磁感线，因此它们会停止运动，而后反向旋转。因此，地球的磁极就成了“磁镜”1，由于两端磁镜的存在，粒子就会在特定的中心区域来回折返。

　　那么类似地，物理学家就能使用磁场、磁镜和电场将等离子体禁锢于特定的区域内。等离子体不断向外扩张，这个电磁场区域必须向等离子体施加一个等大反向的内力，将其维持为圆柱状，甚至通过操纵力场的大小来改变等离子体的尺寸规格。因此，我们大可以设想出一把用等离子体制造的圆柱体光剑。不过，还有三个问题亟待解决。

　　首先，和我们在激光设想中遭遇的问题相同，我们缺少控制圆柱形剑身长度的方法。由于科学家们制造等离子体的能力有限，必需磁场的区域大小也是有限的，在诸多限制之下等离子体尺寸的把握非常棘手。制造光剑的问题之一，就是我们无法找到限制其长度的范围。一旦电磁场的限制失效，等离子体的两端就会出现泄漏。既然“等离子体光剑”足以断金削骨，其泄漏速度想必也十分可观。马克·米里斯博士承认：“光剑如何能保持有限的长度，这个问题真让我绞尽脑汁，也不得其法。”即便我们能让剑柄向剑身内不断补充等离子体，还是会在剑身两端看到泄漏的蛛丝马迹。

　　为了避免等离子体泄漏造成卢克手上的肌肤大面积汽化，我们必须创造一个没有“两端”的等离子体剑身。科学家们的设想是，将剑身扭转成一个甜甜圈状的环路。米里斯博士认为这样的光剑更可能实现。“将高热的等离子体围成一个甜甜圈状的环形，剑柄安置在圆环中心，来维持剑身环形的姿态。光剑的造型和锤矛类似。”不过我们只能期待这等造型在下一部系列电影中现身了。不过，斯巴达公司的研发工程师约翰·希林还为“自行闭合”的光剑设计了一个新造型。他所设想的结构是，电磁场促使等离子体从剑身的中间位置以细流状向上涌出，然后沿着剑身外壁返回，即形成一个又细又高的等离子体“喷泉”。而且这个造型和电影中的光剑十分类似。“实际上，完成这样的装置，”希林博士说道，“尤其是形成一个平滑的剑端会非常困难，但并非无计可施。”

　　第二个问题在之前关于激光武器的讨论中也已经被提及了。等离子体及其束缚电磁场必须同时存在于一个手电筒大小的纤细圆柱体内。而在同样的空间里，我们还需安置强力的能量供应系统、冷却系统以及稳定的等离子体源。以今天的技术水平，这些光剑所需的配套设置足以塞满一座大楼。“光剑需要在极有限的空间内掌控巨大的能量，”米里斯博士说道，“这能量足以蒸发掉持剑者的手臂，却只能塞在两节一号电池大小的东西里。”

　　第三，即便我们能获得足够的等离子体，也能在剑柄上附加超强力的磁场，但磁场会快速衰减，等离子体最终还是会从剑柄上流失出去。泄漏还会继续，甚至愈演愈烈。不过如果我们能将剑柄安置在剑身正中间，使等离子体以涓流的形式从剑柄两端流出，泄漏问题会得到一定改善。达斯·摩尔的双刃光剑的每个剑刃都有正常光剑的长短，因此这个问题会让他困扰两次。

　　如果这些问题都能解决，等离子体柱就足以成就一把合格的光剑。两个柱体的束缚电磁场会相互排斥，避免了两把光剑相互穿透情形的发生。不过，理论上等离子体柱足以切断金属、骨骼，以及其他障碍物，锐不可当。伯恩斯博士估计这样的等离子体，其密度是地球上我们所能创造的等离子体的1000万倍，温度也要高上十倍，大概有200万度（约93.3万摄氏度）。如此高密度的等离子体算得上是人挡杀人，佛挡杀佛。不幸的是，剑身还会向周边物体辐射热量，所幸这热量要比直接碰触剑身所感受到的热度轻微得多。毕竟沐浴在阳光之中和直接触摸太阳不是一个概念。不过，这热量还是足以烧焦周边的物体，比如卢克的手、臂膀和脸皮。希林博士认为，任何接近光剑的物体“都会获得不同程度的烧伤。不过起码我们知道了，光剑的温度高得吓人，能够引燃其周围的物体。”在这种情况下，我想卢克可能更倾向于将光剑邮寄给达斯·维达，然后通过远程遥控激活，烧他个措手不及。

　　虽然光剑、爆能枪和超空间跳跃似乎仍是遥不可及的梦想，但科学家们仍盘算着把梦想付诸实践。“我们并非毫无希望，”阿库别瑞博士说道，“我倒是一直希望能到遥远的银河系看一看。”理论上说，超光速飞行是可能的，关键是将理论转化为现实。

　　在下一章中，我们将面临一个更艰难的挑战。若其中提到的理论成真，我们不仅能实现与他人的心电感应、凭借意志移动物体、窥探到千里之外的事件，甚至预知未来，但这理论你翻遍教科书也找不到。“原力”问题涉及宇宙的本源—即自科学存在伊始就一直在尝试解答的问题。或许，在我们探寻答案的同时，我们能够揭开《星球大战》系列电影中这种神秘力量的面纱。

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装　　帧：平装

页　　数：268

版　　次：第1版

开　　本：16开

纸　　张：胶版纸