
《挽救计划》小说原著和安迪·威尔的其他作品一样,几乎每个数字都有来历(讨论详见 《挽救计划》背后的建模与估算),电影也沿用了不少。本文主要便是讨论电影细节背后的科学设定和数字来历,顺便吐槽一些硬伤。
片头的燃料计算

Grace从飞船面板读到,三个燃料罐合计用掉了约九成燃料,余量11581kg,消耗率6g/s。可知原本携带约12万kg燃料(但后面却与小说一样是200万kg。不过200万其实也差了20倍,详见下文),还能工作1.93e6 s(其实这里直接把后两个数相除并不准确,应该用火箭方程算剩余时间,因为消耗率会随飞船质量下降而降低。不过鉴于飞船净重是燃料余量的10倍,消耗率最终只会降低10%,直接除误差也不会太大,结果取1位有效数字就行)。此外还知道加速度为15 m/s^2(小说里是实验测的,电影里没交代来历)。假设飞船速度此时已经即将减到0,最终能获得的掉头速度是1.93e6 × 15=2.895e7 m/s。


这里高司令抄板书时似乎抄错了些数字,尤其是第五行t和8的奇葩写法,与主=6有异曲同工之妙。通过核验算式,可推断出本来想表达的是:
1光年=86400*365.25*3e8=9.467e15 m
d=11光年=9.467e15 * 11 = 1.04e17 m
t=d/v=1.04e17 m / 2.895e7 m/s = 3.6e9 s = 113.8年
他算出离地球距离11光年=1.04e17 m,除以前面算的速度就得到回家要3.6e9 s,合113.8年。
访谈提到,板书内容都是安迪·威尔提供;好些地方可与他分享的excel计算表印证。可以看出安迪因为缺乏物理训练而犯的一些错误。首先是有效数字选取不当,有时过于精确,有时又过于粗糙。在excel里自然不必担心精度太高,但到板书计算中,就显得既不真实也无必要。最典型的就是计算1光年长度竟然是用86400*365.25*3e8,结果还保留4位。必须用5位精度的年日数和1位精度的光速代入计算,才能得到板书中呈现的那个结果(真实结果其实是9.461而非9.467)。现实中几乎不可能这么笔算。
其次是做无用功。本来得到2.895e7 m/s后很自然会换算成约0.1倍光速,再用11光年去除就知道要110多年了,结果非要把光年换算成米又把秒换算回年(而且用五位数乘法去换算!)……安迪的excel中有不少类似的无用功。同样的,excel里写行公式倒是轻松,拿板书去算就很离谱了。
另外这里“11光年”是错误的,前面说了信号要走11年10.5个月(11.9光年,即天仓五/Tau Ceti的距离)
地球实验室

和原著一样,噬星体恒温96.415度,直径10um
顺便讲下噬星体设定。它能吸收所有波长的光辐射,将其转换为中微子质量储存在体内。因此是黑色的,但电影里表现得不够黑(可搜索“最黑材料”的影像比较)。作者设定中微子是质量8.5E-38kg的马约拉那费米子,于是两个中微子会发生湮灭生成一对光子,用能量守恒得到发出的是波长25.984微米的红外光(即片中用红外仪看到的佩特洛娃辐射),热平衡温度96.415度。根据小说设定, 噬星体可以储存多达850倍自身质量的中微子,因此吸饱能量后变重850倍,可以把这些质量转换为能量,像光子火箭一样推进自身,用相对论火箭方程可算出其Δv为0.998c ,因此能以近光速在星际遨游

和原著一样,用《三个臭皮匠》的Larry, Moe, Curly命名三个噬星体。臭皮匠第四人Shemp在原著用于命名新繁殖的那个,电影里则是被显微注射针戳死的那个(模样还挺可爱)
飞船设计

图中给出了固有加速度恒定为a的相对论火箭方程

如果飞船是前半程加速,后半程减速回0,计算地面历时t和飞船历时T时把上式拆成两个半程即可,而第三个方程依然不变。方程涉及光年和光速,算起数值来有点烦,但有个简单的速算法,基于一个美妙的巧合:1g加速度*1年≈光速!因此我们只要以“地球重力加速度g”和“年”作为加速度和时间的单位,c就可以像自然单位制一样直接从公式中拿掉,不必再摆弄一堆大数。如果你还是懒得算,可以直接用这个计算器https://www.omnicalculator.com/physics/space-travel。
安迪将加速度1.5g,距离11.9光年代入方程,得到了正确的全程用时T=3.84年(图中第4行),t=13年(看n多人问为什么回去是4年,答案就是这么来的)。但计算火箭始末质量比R时他错误代入了半程用时(他好像理解错公式,把减速半程当返程了),因此得到的结果是20.7倍,而正确结果应该是20.7^2=429(因为时间T加倍了)。他用这个错误倍数,从飞船净重10万千克算出需要噬星体200万千克。而事实上需要的R比这还要大20倍!五年前我已经发现这个错误并向作者提议了解决方案,没想到电影还是没改
这个硬伤修正起来很麻烦,因为前面已经说过,200万千克噬星体的能量等于地球化石燃料总储能的三倍,小说中大约花了六年时间制造200万千克噬星体,这个值要再扩大20倍,地球很难负担起。而考虑到飞船上的各种仪器和三名乘客,100吨净重也不可能减到5吨。一种方法是把加速度减到0.5g,这样T=8.07年,t=15.29年,M/m=63,再把飞船净重减到50吨,基本就能自洽了。不过前后文许多有关加速度的描述和数值就都得另起炉灶。
另一种方法更好:只在旅程开始1光年和最后1光年开发动机达到1.5g加速度,中段以固定速度巡航。不难算出,加减速阶段T=2.1年,t=3.0年,M/m=23,巡航速度为0.92c,巡航时的洛伦兹因子为2.55。因此地球总历时为(11.9-2)/0.92+3=13.7y,飞船总历时为(11.9-2)/0.92/2.55+2.1=6.3y,基本不用做太多修订。
另外还有个问题是,噬星体本身的质量转换效率并不是100%,会留下1/851的死重( 生物体细胞)。把它计入考量后,R要从429增加到863 。下面我们只讨论去掉细胞死重的等效R,它的上限就是851(相当于不带载荷的噬星体)
牛顿力学情况下所需的质量比由齐奥尔科夫斯基方程给出:R=exp(2Δv/c)=exp(2√ad/c) 。采用“自然单位制”后绘图如下:
在终点减速为0的单程所需质量比R
可以看到牛顿理论算出的燃料需求量偏大,因此不知道相对论的波江人才有多余燃料提供
对Grace, ad=1.5*11.9=18,从图中读出R值约400,与前面算的一致
对Rocky,ad=2×10=20(小说只说了他飞船的加速度较高,作者excel和电影里是21m/s²:这与波江人母星的重力相同),R值约500。而牛顿理论给出R值约8000! 这里算的只是单程,再加上返程结果还得平方。不过这是发动机全程工作的情况,如果有巡航段,结果远不会这么夸张(作者excel里波江人的牛顿理论错误计算只加速到1.7c就改成巡航,因而大部分距离都在巡航)。
另外,电影说Rocky分完燃料回家时间会晚6年,明显是错的。他回家只有10光年,无论”晚6年”是指飞船时间还是母星时间,都表明a要降低一半以上,对应R至少要降低几十“倍”。而Rocky的飞船质量远高于Hail Mary号(作者excel设定为10倍),分燃料对R的影响肯定远小于50%。
舱内气体

图中可见舱内是21%氧气的普通空气,气压应该是1 atm。不知为啥气闸减压到0.3 atm就开外舱门了。原著中是0.4 atm的纯氧,因此做EVA(出舱活动)不需要减压,这样才得以及时拿到漂流瓶。电影这么改可能是为了观众看懂,但留下了bug。首先EVA没做减压。其次,如果舱内有氮气,Rocky没法确定地球人呼吸的是氧气,不会只把氧分子放到漂流瓶里,并在隧道里充上纯氧;而且τ米巴虫也不会泄露。不过原著的0.4 atm也有bug。且不说高氧分压的安全问题,Rocky的母星是29 atm,但他只有舱内气体作为地球大气样本,所以他的漂流瓶里应该是73个氨分子对一个氧分子,而不是29:1

第二次进通道时,Rocky在内部充了0.21 atm的气体。如果Grace后来回想,会意识到这已经暗示了充的是可以正常呼吸的纯氧。Rocky是通过分析送回的漂流瓶里的气体成分和压强得知这一点的。(小说里隧道这头的气体是Grace自己充的。电影这么改是为了表现互信,但其实很不靠谱,Rocky没道理凭这点信息就推断出地球人只要氧分压就能活)
拦截问题


这里首次给出了Rocky飞船的加速度21m/s²。两船都是匀加速运动9.5天(从图中数据反推),由此算出这时各自的速度和位置。再用余弦定理算出距离为d=6.88e9km,相对速度Δv为16.785kps(这里高司令又抄反公式了,应该先算出下面两行的两船速度后才能算Δv)
接下来假定Rocky飞船在此刻熄火转为自由滑行,而Grace还是像之前一样,先加速后减速去追击。不难导出追击用时为(Δv+√(Δv²+2d a))/a。不过代数字算出来是30天,与白板上的“458604s=56.187天”不符,可能又加了些关于熄火时间的假设(话说白板上这两个数自己就对不上,显然高司令又抄错了)。接下来我们看到日程表采用了56天这个数,并在28天处标了“半程”,开到这里时有个掉头改成减速的画面

最后顺便一提,原著中Rocky用来看颜色的设备能神奇地把频率映射为表面粗糙度,但并未说明原理。电影里则改成利用驻波形成的克拉尼图案(呼应开头的科学小实验)。这是为数不多的我更喜欢影版的地方之一
