科幻电影的科学传播

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0前言

在科学传播的平台上,科幻电影扮演着一个不可忽视的角色.所谓的科幻电影,就是以科学幻想的情景或假设为基础,来展开叙事的电影.通常,科幻电影只注重擷取文学或人文方面的元素,无视于科学的严谨性和逻辑性,其所采用的科学理论,也不一定会被主流科学界所接受.然而,15年前上演过的一部科幻电影《第五元素》,却给人们带来非常不一样的印像.

1997年,法国的卢贝松导演了一部科幻电影《第五元素》.大意是说,1914年外星球的蒙督沙瓦（Mondoshawan）族人来到地球上的埃及,朝拜其祖先所建造的庙宇,取回代表四元素的四块神石及第五元素.到了23世纪的某一天,蒙族飞船再度来到地球,遭受邪恶势力击毁.残余的第五元素基因保存了下来,复制出具有人类女性特质的莉卢,她就是第五元素.起初,她并未显现出任何神奇的力量.然而,当她逐渐了解人类的感情世界之后,便发挥出第五元素潜在的神奇力量—爱,终于挽救地球免于毁灭的一场浩劫.

在《第五元素》这部科幻电影中,其传播的科学信息是否就只有第五元素吗?长久以来,一直有一个问题萦绕于心,“为何不是第一元素呢?”“其他的四元素又是什么呢?”尤其是,电影中那四块神奇的石头,究竟有何科学意涵呢?于是,收集资料,对西方的元素思想做了一番查考.

1四元素说

在哲学中,元素是一种构成世界上所有物质的最基本实体或能量.历史上有许多不同的民族,都曾经建构出属于他们自己的元素思想.最着名的代表,是古希腊的四元素说或五元素说,以及中国的五行说.元素思想的起源很早,巴比伦人和埃及人认为水、空气和土是构成世界的主要元素,此即三元素说.米利都（Miletus）学派的泰勒斯（Thales,BC624-546）主张水是万物的本质,土和气是水的凝聚或稀薄.同一学派的阿那克西曼德（Anaximander,BC570-526）将本质改成原始物质,并提出第四元素的火,形成了四元素说.

在古希腊的传统民间信仰中,四元素说就已经存在,但缺乏坚实的理论体系来支持.因此,四元素说不是古希腊哲学家所创造的,而是他们引用了这些元素的概念.早期的哲学家,系以米利都学派为首.直到恩培多克勒（Empedocles,B90-430）时,才首次建立了四元素并存的哲学体系.他认为万物由永恒存在的四元素土、水、气、火所组成,它们可为另外两种抽象元素爱与恨来连结或分离,这是首次尝试以科学方法来解释传统的四元素说.

现今,广为人知的四元素说是亚里斯多德（Aristotle,BC384-322）所提出.在其理论中,不包含爱与恨这两种抽象元素.他认为四种元素具有可为人感知的两两对立的性质,推论出世上万物原本乃是四种原始性质—冷、热、干、湿,而元素则是由这些原始性质依不同的比例组合而成.中世纪时,四元素说曾经成为炼金术的理论依据.炼金术士们认为：只要改变物质中这四种原始性质的比例,即可使普通金属变为黄金.四元素说承认了世界的物质性,是进步的展现,但却使化学的发展长期地受到阻碍.直到波义耳（Boyle,1627-1691）否定了四元素说,才使化学得以迅速地发展.

2宇宙中心

泰勒斯是西方思想史上第一位留名的哲学家,他曾跟随埃及祭师学习,利用日影测量金字塔高度,且准确地预测了一次日蚀.毕达哥拉斯（Pythagoras,BC580-500）是泰勒斯的学生,他认为大地和宇宙都是球形的,并提出”地球”的概念.火是最圣洁的东西,位在宇宙的中心,称为中心火.太阳、地球、月亮、行星和恒星都镶在相应的天球上,围绕着中心火转动.

公元前323年,功成名就的亚历山大（Alexander）大帝突患伤寒而亡.大将托勒密将其遗体运往埃及的亚历山大城,并建立了托勒密（Ptolemy）王朝.托勒密一世和二世酷爱建筑与科学,建立了亚历山大科学院,藏书七万多卷.着名的欧几里得（Euklid,BC325-265）、阿基米德（Archimedes,BC287-212）和阿波罗尼（Apollonius,BC262-190）,都曾在此学习、工作或进行科学交流.阿波罗尼是欧几里得学生的学生,他对圆锥曲线的研究,为2000年后开普勒发现行星三定律奠下了基础.阿基米德也是欧几里得学生的学生,他最先把数学引进物理学,使其成为一门可定量的科学.

阿里斯塔克斯（Aristarchus,BC310-230）与阿基米德同一时代,曾在亚里斯多德吕克昂（Lyceum）学院学习过.他将毕达哥拉斯宇宙论的中心火去掉,而代之以太阳,是史上第一位提出“日心说”的人.他指出恒星的周日转动,是地球绕轴自转的结果,其可解释为何恒星总是处于相对固定的位置上.若太阳位于宇宙中心,地球绕日而行,则恒星的相对位置应有明显的变化.他解释说：因地球与恒星间之距离远大于地球与太阳间之距离,人们不易察觉恒星位置的改变.由于此说过于先进,使得当时的人们难以接受.

亚里斯多德是伯拉图的学生,也是亚历山大大帝的老师.现今广为人知的四元素说,就是他所提倡的.他以此为基础建构了“地心说”的宇宙观,认为地球位在宇宙的中心,太阳、月亮、行星和恒星均绕着地球作圆运动.他的宇宙模型分为月上世界和月下世界,月下世界内不断腐朽的物质由土、水、气、火四元素组成,月上世界内充满着透明的、无重量的以太.月上世界分为九重天,依次为月亮天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动天.每一重天都是一个天球,其上均镶着一颗星体,原动天之外没有任何东西.

公元100多年,一位与托勒密王室无亲属关系的天文学家托勒密,发展了亚里斯多德的宇宙图像,使其符合观测的结果,建立了一个比较严密的“地心说”.至此,托勒密的地心说彻底击败了阿里斯塔克斯所提倡的日心说.在天主教教会的支持下,托勒密的地心说逐渐深植人心,统治着西方世界将近一千五百多年.

公元1500年前后,在巨大商业利益的激励下,葡萄牙人和西班牙人完成了一系列的重大航行,促成了地理大发现.十字军的东征,使传播到阿拉伯地区的希腊文化又重返欧洲.同一时期传入欧洲的,还有中国文明和印度文明.此时,世人开始重新思考古希腊的哲学思维.造纸术和印刷术促进了知识和艺术的普及,加速了欧洲的文艺复兴运动,也冲击到当时腐败的欧洲教会.

在哥白尼（Copernicus,1473-1543）时代,已有人认为内行星（水星和金星）是围绕着太阳旋转,然后太阳再带着它们围绕着地球旋转.根据30年的天文观测,哥白尼反复思考后,提出了一个大胆的观点.他认为宇宙的中心不应是地球,而是太阳.地球与五大行星一样,皆绕日而行,且又绕着自身转轴自转.他深知自己观点与传统神学思想抵触,会触怒教会,迟迟不敢公开其着作.直到病危时,才将《天体运行论》交付出版.

经由长期观测,哥白尼掌握了丰富的天体运行知识,发现了托勒密学说的缺陷.内行星绕日而行虽是对的,但内行星与太阳一起绕着地球旋转则是错的.哥白尼的学说不是凭空想像的,是有科学根源的,且有哲学根源与历史根源.他体会出中心火模型的哲学观点,宇宙中心本应放置扮演圣洁火的太阳.古希腊虽有过日心说,但其观点过于粗糙,缺乏完善的理论.1621年,开普勒（Kepler,1571-1630）的《哥白尼天文学概要》证明了哥白尼的理论,使”日心说”不再遭到质疑.

3力学萌芽

亚里斯多德的地心说认为：土、水、气、火四元素各有其自然位置,任何物体都有返回其自然位置而运动的本性.因此,他将运动分为自然运动和强迫运动.重物下落是自然运动,星辰围绕地心的圆运动也是自然运动.所谓的自然运动,就是天赋存在的运动,它不需要特别的解释.相对地,如欲强迫物体运动,则需有施力者.力一旦去除,运动便会停止.倘若重物下落是物体的自然属性,那么物体越重,其趋向自然位置的倾向就会越大.意即,物体越重,其下落速度会越大,进而可以得到下落速度与物重成正比的结论.

在16世纪以前,虽然亚里斯多德的运动理论居于领导地位,但其由直接经验引伸而来的结论,常经不起实验研究的挑战与考验.伽利略（Galileo,1564-1642）的落体实验,证实下落速度与物重无关,给了亚里斯多德致命的一击.伽利略从斜面实验中发现,物体运动行经的距离与所用时间的平方成正比,此称为落体定律.他更进一步推论得到,作等加速运动之物体的速度与时间成正比.由此可知,伽利略把科学思维和实验研究结合在一起,为力学往后的发展开辟了一条正确的道路.

1632年,伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中写道：“只要斜面延伸下去,球将会无限制地继续运动,而且会不断地加速,这就是运动物体的本性”,此称之为伽利略的惯性原理.1638年,在《两门新科学》一书中,伽利略利用小球在斜面上的运动,再次地阐述了惯性定律.从亚里斯多德的自然哲学转变到牛顿（Newton,1642-1727）的古典力学,其中最重要的关键性变化就在于他所建立的惯性定律.

力学是物理学中发展最早的一个分支,它和人类生活间的关系至为密切.不论是东方或是西方,在很早以前,人们就已将杠杆、螺旋、滑轮和斜面等简单机械广泛地应用于劳动与生产之中.16世纪以后,基于航海、战争和工业的需要,有关力学的研究才得以真正的展开.由于大量生产、海外贸易和对外扩张刺激航海蓬勃发展,使得对天文作系统性观测的需求日益地迫切.布拉赫（Brache,1546-1601）顺应此一趋势,采集了大量的观测数据,为开普勒的研究工作开辟了一条康庄大道.终在1609年和1619年,先后提出了行星运动三定律.

在大学期间,牛顿接触到亚里斯多德的局部运动理论.后来,读到伽利略和笛卡尔（Descartes,1596-1650）的着作,受到很大的影响,便开始研究动力学,探讨造成物体运动的原因.开普勒和布里阿德（Bulliadus,1605-1694）的天文学工作引起牛顿极大的兴趣,产生了证明布里阿德的引力平方反比关系的想法.1664年初,牛顿挣脱亚里斯多德思想的影响,进而接受了伽利略重视实验和数学的作为.此外,他还深受笛卡尔追寻“自然第一原因”思维的影响.

1665-1666年间,在牛顿未公开的手稿中发现：他清楚地定义了速度,对力的概念作了明确的说明,用独特的方法推导了离心力公式,提到了几乎全部力学的基础概念和定律.到了1679年,牛顿已然创立了微积分,从开普勒第三定律推导出平方反比关系,使他可以深入地探讨力学问题.1680年,他证明椭圆轨道中的物体必会受到一指向焦点的向心力,此力与物到焦点距离的平方成反比.1687年,出版的《自然哲学的数学原理》一书显示,牛顿领悟了万有引力的真谛,把地面上的力学和天上的力学统一在一起,建立了以三大运动定律为基础的力学体系.牛顿的研究与贡献,对往后的科学发展,产生了莫大的影响.

4结语

亚里斯多德的四元素说理论,为地心说建立了雏形.随后,托勒密完善了四元素说的理论,并确立了地心说的地位.然而,地心说受到哥白尼日心说的挑战.开普勒对天文观测的研究,证明了哥白尼日心说的理论.至此,人们对宇宙观的认知,便大至抵定.

亚里斯多德的四元素论和地心说,更进一步地引起人们对运动的探索与研究.运动是一切改变的根源,如果地球停止自转,则会出现永昼.倘若地球不会绕日公转,就不会有季节变化.一个没有运动的世界,很难想像它会是什么模样.伽利略的实验研究,驳斥了亚里斯多德的运动理论,确立了落体运动的定律.接着,牛顿更清楚地揭示：“运动的根源,来自于力”,并提出着名的运动三定律和万有引力定律,为往后物理学的发展立下了坚固的磐石.

虽然科幻电影并不严格遵守科学的严谨性和逻辑性,其所采用的科学理论也不一定为主流科学所接受,但它所带来的冲击和启发仍然不容小觑.从四元素说出发,进而了解了早期的宇宙观和力学的萌芽,绝非当初观赏科幻电影《第五元素》所能预料到的.