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，BC490-430）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。

参考文献：

[1] 郭奕玲、沈慧君. 物理学史，清华大学出版社，1993年7月.

[2] 江晓原.科学史十五讲，北京大学出版社，2006年11月.

[3] 蔡承志译. 理查·沃夫森原著. 地球不见了，月亮会知道？. 脸谱出版社，2008年2月.

[4] 赵崢. 物理学与人类文明十六讲. 高等教育出版社，2008年9月.

[5] 刘宗平. 从电影《第五元素》看早期的宇宙观. 科学月刊，501期，页708-709，2011年9月.

作者简介：

刘宗平，元智大学科学教育研究中心主任，台湾科技史学会常务理事，台湾资讯储存技术协会理事，科学月刊编委。

潘月里，台湾财团法人国泰综合医院，护理师。