《沙丘》之上，双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑
来源：中国国家天文
广阔的大地上，沙漠流淌着蛇形波纹，微风扬起一缕缕黄尘。远处暗青色的天上，两轮明月照耀，一大一小，悬浮如巨大而苍白的幽灵。一位女子身穿长袍，在沙脊上漫步。暮野四合，风鼓动着她的衣摆……
这幅画面，是最近上映的科幻电影《沙丘》中反复出现的意象。
电影的故事，在一颗名为“厄拉科斯（Arrakis）”的沙丘星球上展开。上万年后，人类已成为散布在银河系中的星际文明，而厄拉科斯便是文明的一处寓身之地。这座遥远的行星遍地沙漠，干燥炎热，却有独特的生物繁衍生息，并蕴藏着被人类视为珍宝的矿物“香料”。在科技与传说之间、土著与军队之间、命运与偶然之间，异星史诗的大幕徐徐拉开。
神秘主义、政治阴谋、科技伦理……或许是《沙丘》的主旨。不过，在精致的视听语言背后，其实有更多科学逻辑可供解读。
一
在《沙丘》的世界，上万年后，人类已经在银河系中找到了许多行星。它们有的雾霭沉沉，有的绿树如荫，但毫无疑问，地质构造和大气成分都适合人类生存。
《沙丘》中的一些行星 / Reddit
的确，银河系中，能够承载生命的行星或许是恒河沙数。截止这个月初，人类已经在太阳系外发现了4843颗行星，它们分属于3579个不同的行星系统。按照这个探测比例，仅在我们自己的星系里，绕着自己母星运转的行星就有数千亿之多。
1959年，华裔天文学家黄授书提出了文明生存的“宜居带（habitable zone）”。离恒星太近的地方，烈焰熊熊，万物枯涸；离恒星太远的地方，冰天雪地，万物凝冻。只有正好处于离母星不远又不近区域里的行星，才能留存液态水，孕育我们已知的生命形式。一切天然适合人类生存的行星，只能在宜居带内找到。
黄授书与他提出宜居带的论文
在太阳系的宜居带中，地球是一颗夺目的蓝宝石。她不负众望，用覆盖七成表面的液态水，孕育了璀璨的生命奇迹。而与我们乘坐的生命之舟并驾齐驱的，还有赤红的火星和无数主带小行星。按照最宽松的估计，它们的轨道可能也囊括在太阳系宜居带中。人类的探测器纷飞穿梭，试图在它们身上嗅到生命的气息。
在迸溅到地球上的火星陨石里，人们甚至看到了形如细菌的化石结构。倘若有朝一日，我们真能在宇宙后院偶遇素未谋面的外星邻居，那将是人类历史上前所未有的重要时刻。
火星陨石中类似微生物的结构 / ESA
当然，要想像电影中那样，移居外星轻松如搬隔壁小区，我们还有很长的路要走。影片中人类家族刚迁至沙丘星球，无需面罩便可自如呼吸，无需训练便可自在行走。这意味着星球上的气压、氧气浓度、重力等参数，都和地球相近。
根据2013年的研究，纵观银河系中的群星，每五颗类似太阳的恒星中，就有一颗拥有处在宜居带、且和地球大小相仿（1-2倍）的行星。乐观估计起来，银河系中可能有超过一百亿颗人类的“备用家园”。要在其中找到一颗“厄拉科斯”，似乎并非难事。
二
《沙丘》里的沙漠
在电影的外太空镜头里，行星弧形的大地散发着金黄的色泽。当我们注视一颗固体星球，第一眼感受的是它反射阳光的能力——反照率（albedo）。
沙丘星球地图 / Twitter
倘若一颗行星表面光滑如镜，把照射的阳光悉数反射回太空，反照率就等于百分之百；倘若表面黑糙似炭，几乎吸收了所有阳光，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。
照此来说，电影中厄拉科斯遍地黄沙，应当璀璨夺目：照在它身上的光线，近四成都被表面晶莹的硅化物反射回外太空。相比之下，我们夜里惊叹的明亮满月，才仅仅反射了一成而已。
纪录片《佐杜洛夫斯基的沙丘》海报 / IMDB
1970年代中期，著名导演佐杜洛夫斯基尝试拍摄《沙丘》。虽然影片最终流产，成为了影史“失落的传奇”，讲述这一过程的纪录片《佐杜洛夫斯基的沙丘》却流传于世。在片中，他展示了自己细节丰富的手绘分镜集：
“我想用一个长镜头开始《沙丘》的拍摄，比奥逊·威尔斯《历劫佳人》开头的长镜头还要好。我希望能从最长的距离开始。整个镜头穿越宇宙……你会觉得你在穿越银河系，在穿越银河系的时候，看到一群海盗，正在抢劫一艘运输香料的船，然后……战斗。镜头向前，向前，向前……这样一个长镜头。”
分镜手稿 / 剧照
这个绝美的长镜头扎进银盘、悬臂、气体云、行星系，掠过四散的飞船和烟火般的爆炸，穿过小行星带和漂浮的太空城市，最终俯瞰沙丘星球，并聚焦于开采香料的城市上。
如果导演请一位天文学家来做顾问，或许会再加一幕：从行星系外围看去，沙丘星球如一颗金黄的宝石，在漆黑的太空中熠熠闪耀。
从土星附近回望，中间璀璨的星星是地球 / NASA
三
既然有缤纷多彩的生态系统，厄拉科斯当然属于宜居带。按电影所述，它地表气温在三十到六十摄氏度之间，足以让液态水稳定存在。这或许该归功于星球表面猛烈的沙尘暴：黑暗的高空沙雾阻挡入射的阳光，像海绵一样吸收辐射，并且抑制地面能量反馈，凝结蒸腾的水蒸气。
地球上，飞尘降温的“太阳伞效应”也很明显。根据联合国评估，1991年东南亚火山爆发，烟尘飘浮，导致全球的气温都平均下降了半度。
阿拉伯沙漠的沙尘暴 / Sputnik News
气势磅礴的沙尘暴，其实也源自天文过程：行星自转。地表的物体按惯性沿直线运动，大地却在不断旋转，缓慢地改变方向，导致物体的轨迹相对于大地稍稍朝一边歪斜。在地球上，这种现象让本该南北走向的信风朝东西吹拂，吹动了环绕地球的航海贸易；给热带气流加上了旋转，最终愈演愈烈，成为台风登陆。
而在沙丘世界，它则鞭策起轰轰烈烈的冷热对流，野马尘埃，一小时八百公里，抟扶摇而上。
地转偏向力原理图示 / E。 Linacre & B。 Geerts
在地面上的人看来，物体运动凭空偏转，好似受了某种无形的“地转偏向力”。根据发现者的名字，有时也称它为“科里奥利力”。因此，在片中我们才会听到“科里奥利风暴（Coriolis Storm）”这样的别称。
2003年，科学家拍到火星阿西达里亚平原（Acidalia Planitia）的一场沙尘暴，飞沙吞噬的面积相当于地球上一个大洲。看来，若未来的人类迁徙到邻家星球，倒真可能会目睹电影里的壮观景象。
上四分之一处为沙尘覆盖区 / NASA
四
《阿拉伯的劳伦斯》海报 / IMDB
连绵不绝的沙漠，渺小的建筑，神秘的原住民……这些不是第一次出现在银幕上。1962年的另一部经典电影——《阿拉伯的劳伦斯》拍摄于壮美的中东沙漠，和《沙丘》一样，也意图触摸影视艺术辽阔的极致。
片中特别令人印象深刻的，是个足足用一分钟铺陈的镜头：
远处白沙与蓝天相接，空无一物；慢慢地，出现了一个几乎看不清的小黑点；热浪颤抖，吞吐着地平线上若有若无的黑点；那黑点抖动着，伸展着，慢慢颜色加深，最终变成一匹确定无疑的沙漠之舟，载着主角缓缓走来……
《阿拉伯的劳伦斯》中的场景 / 剧照
无垠的大漠，似乎天然为大银幕而生。现今，要最大程度地欣赏《沙丘》，最好走进2D IMAX或中国巨幕影院，完整体验震撼人心的魅力画面。
《沙丘》与《阿拉伯的劳伦斯》之间的联系，其实极为深厚。后者的原型来自上世纪初一位英国军官托马斯·劳伦斯，他被英国派赴阿拉伯作战，抗击侵略该地的土耳其人。但他逐渐融入了当地贝都因人的文化，转而成为他们的精神伙伴，为阿拉伯人自己的权益而战。
除此之外，私生子的身份、特殊的沙漠坐骑、文化特色的佩刀……对照《沙丘》，不难看出相似性。
劳伦斯身骑骆驼，率领阿拉伯人战斗 / Britannica
《沙丘》原著，也从劳伦斯的个人回忆录《智慧七柱》里借来了许多美感。例如《智慧七柱》第十四章：
“我们再次上路，沉重地穿过夜晚的寂静——那静谧如此浓烈，以至于我们不断在鞍子上转身，幻想自己听见了那星星缀成的夜幕披风发出的遥远声响。但活力蕴藏着我们体内，蕴藏在我们穿过那些幽灵般的芬芳花朵时灌木丛的噼啪声……月亮在群山顶上升起，描出石灰岩层的轮廓，澄澈如晶莹的白雪。”
《沙丘》第六章，几乎是完全相同的情景：
“黎明前的寂静笼罩了沙漠盆地。他抬头看去。高悬在头顶的，是亮片一样的星星，点缀在深蓝色的夜空披巾上。南边的地平线上，低垂着此夜的第二轮月亮，透过薄薄的尘雾……发出晶莹的光。月亮沉入防护墙的峭壁，为墙边撒上了一层白霜。……他看到一大团红色的花朵，以及穿过它们的清晰紫色痕迹……好像巨大的脚印。”
不管是真实世界，还是幻想星球，月亮似乎都是作家绕不开的意象。
五
《沙丘》电影中的月亮 / 剧照
在沙丘世界里，月亮有两颗。大的叫科勒伦（Krelln），小的叫穆迪布（Muad‘dib）。从电影画面来看，科勒伦比穆迪布离行星更远，看起来却大了数倍，这意味着它的真实尺寸可能大得吓人。
在真实世界，这种情况很难发生。当三颗天体彼此靠近，引力作用使它们形成著名的“三体”情形。除非采取某些特殊的构型，否则三颗天体的运动极难稳定下去。要么互相吸引而撞毁，要么速度过高而逃逸。况且，这个行星系统的恒星还在拉着它们绕转——这是个四方引力都不可忽略的混沌“四体”系统。
三体运动轨道实例 / Research Gate
从影片中看起来，沙丘星球的月亮大小和我们的相似。但其实，地球的月亮是个罕见的异类——她实在太大了，相当于行星尺寸的三成，太阳系中再无如此夸张的比例。一项2011年的研究显示，根据卫星形成的计算机模拟，类地行星的卫星半径要想超过月球一半，概率只有百分之个位数。
如此庞大的月球，引力作用也十分显著。引力与质量成正比，而月球的质量足足相当于地球的1/81。在太阳系其它行星那里，卫星质量只有行星的万分之几。例如拥有数十颗卫星的木星，最大的卫星不过占它质量的十万分之八。这群“后宫佳丽”个个“人微言轻”，所以才得以和平共处。
木星的几个主要卫星 / EarthSky
基于这个原因，我们的地球只有一轮孤月，其实是命中注定：这位强大的女神实在善妒。主流的理论认为，月球甫一形成，便吸引扫除了近地小天体，要么就通过引力把它们甩了出去。有研究认为，远古时期曾经有另一颗小月亮与她并行，但已经被月亮吸引，缓慢地碰撞、吞并。
那颗被吞并的月亮，尺寸大约是现在月亮的四分之一，这个比例和我们在电影中看到的大小月亮很相似。
月球碰撞想象图 / C&EN
在沙丘世界，科勒伦或许更小；要同样显眼，就得离地面更近，受引力的扰动更强。也许，沙丘星球的天象只能稳定很短的时间。倘若人类在这个星球上长期繁衍，或许会目击“天无二月”，甚至因碰撞产生的碎片而遭到灭顶之灾。
六
《沙丘》成书于1965年，彼时“新浪潮（New Wave）”运动正此起彼伏。不同于之前那种连载在杂志上、粗枝大叶的快消剧情，复杂的社会环境下，科幻作家们开始强调作品文学价值。科幻小说首先是“小说”，艺术感染力比科学预测准确与否更重要。现代主义风格也开始融入科幻小说——超现实、潜意识、神秘主义、形而上学……宗教与崇拜，成为组成世界不可或缺的元素。
几个不同地区的月亮传说 / Guerrilla World Press
现实世界里，几千年来，各地人们形成了复杂的月亮神话。月亮中的阴影被想像成各种样子：兔子、树木、房子、面孔……在沙丘世界里，大月亮上的阴影被称为“上帝之手”，是当地人重要的图腾。在印度教传说中，月中阴影也是万物之母阿丝坦吉·玛塔（Astangi Mata）的手。她拥抱月亮女儿，在脸颊上留下两只深色掌印。
月亮上的掌印想象图 / NASA
人类的神话基于一个前提，便是我们一直看到的是同一面月亮。倘若月亮在天上旋转，露出不同的侧面，变化的图案便很难附会成一套固定的故事。
在我们的地球上，月亮唤起潮汐。她的引力牵引着波涛，让最靠近和最远离她的水体涨起。与此同时，这部分水体的引力也在牵拉着月亮，使其轨道不断变化。逐渐地，月亮的自转周期和公转周期趋向于相同；此后，她将永远以同一面朝向地球，在地面上只能看到她的半张面孔。这个过程称为“潮汐锁定”。
潮汐锁定原理示意图 / 2005 Pearson Prentice Hall， Inc
我们的月亮早已被潮汐锁定，所以我们看到的永远是“月之亮面”。如此看来，载满故事的沙丘大月亮，应当也已经与行星共存过了很长的时间。再考虑到它与小月亮的共存状态不稳定，看来，天文年代上来说，小月亮是刚飞进这个系统不久的“第三者”。
虽然沙丘星球上没有海洋，但沙丘保护的地下水，也会产生呼应着月球运动的潮汐。另外，同样是流体的大气，也会因月球引力产生“气体潮”的涨落。
地壳也会被月亮牵引，产生涨落，称作“固体潮”。电影中，潜藏在沙丘中的巨大沙虫，鳞甲能敏锐地感知沙体震动。两个月亮牵动的不规则地壳运动，或许经常让沙漠震颤，令它们震耳欲聋。
《沙丘》中的沙虫 / 剧照
七
月海 / Wikipedia
月亮上的黑暗阴影，如今被称为“月海”。当然，它和真正的海没有关系，是远古时，月球被撞击后流出岩浆，在低洼处凝结成暗色玄武岩。月球现在看起来平静，但月海的存在证明，至少在数十亿年前，她也曾经炽热过。
而在沙丘世界，月亮似乎也不曾冷却。
按照影片所述，沙丘星球的卫星受到月亮磁场的强烈干扰。而目前主流理论认为，星球带有磁场，是因为内部导电的流体物质（例如地球外核中熔融的金属）对流，在科里奥利力的作用下旋转，产生了感应磁场。因为这个过程和发电机类似，因此称为“发电机原理”。
地球磁场成因示意图 / Pinterest
所以，沙丘的月亮内部应当有类似于地球外核的巨大熔融区。在行星引力的作用下，月表会发生地质活动，甚至可能是大规模的火山爆发。那样的话，即便是月亮的暗面，也会出现赤红的火光斑纹。那将是一幅多么奇诡的画面。
月球内部结构示意图 / Wikipedia
月球内部结构示意图 / Wikipedia
不过，在电影故事发生的日子里，两个月亮几乎都是满月。它们彼此靠近，宁静地放出和谐的光。
由于月亮反射的是太阳的光，所以它发光的那一面永远指向太阳。当月相是满月时，它必然处在天空中和太阳相对的一侧。夜观月亮，就像白天看太阳一样，同样可以判断时间：满月升起，夕阳落下；朝阳升起，满月落下。
在影片中，月表的光影对应制作得非常准确。一瞥低垂的满月，当地人就知道：天将破晓，烈日炎炎又快来到。
1984年电影《沙丘》海报，相距如此远的双满月是不可能出现的 / IMDB
最后，请注意一点：在解读《沙丘》背后的科学逻辑时，我们一直没有用到画面以外的内容。也就是说，几乎仅仅靠站在大地上双眼所见的一切，我们就判断出了行星的亮度、月亮的年龄、沙暴的成因……
在真实的地球上，我们也可以欣赏同样的美景。几千年前的古人使用肉眼和手工器具，就能相当准确地测量出地球、月球的半径，甚至太阳的距离；能够预测日月交食的时间，潮汐的变化；能够判断恒星的轨迹，行星逆行的周期……这一切如此自然，又像个奇迹。
理解天文，也许不需要高科技的仪器、外太空的飞船。仅仅双脚站在大地之上，就能凭思维的运转，洞察许多宇宙的秘密。环顾四周，欣赏我们的大自然吧，正如《沙丘》中一首小诗所言：
你生命的意义是什么？
如果你邻大自然而居，它是否隐藏在——
一棵亭亭的树里，
一群忙碌的工蜂里，
一朵盛放的花里，
刺穿黎明黑暗的太阳里？
抑或你居于都市？
想象力惊艳众人，思绪却集中于——
苦力、煤烟和污垢，
犯罪为生的年轻人，
漫长的工时与发薪日
快活一时的夜生活？
你不过是伟大磨坊主遗落的谷糠吗？
还是无论居于何处，你的生活都有意义？
