《火星救援》里的物理学
我已故的英雄卡尔·萨根是一位专门研究行星的天文学家。他一生都在康奈尔大学工作，也是加州理工学院喷气推进实验室的科学家。是的，喷气推进实验室是我们在火星救援中经常看到的JPL。萨根对探索太阳系和系外行星非常感兴趣。他也研究外星生命和外星文明，尽管在这方面没有结果。他的研究成果之一是火星表面的颜色和季节变化，指出火星上存在沙尘暴，这在“火星救援”中被广泛使用。
由于地球之外的行星环境如此恶劣，搬到火星之类的地方简直是疯了。一天前，我回答了云腾公众的十个读者问题，其中一个是:“如果有一天人类移民到另一个星球，哪个星球是更合适的选择？”我的回答是:“目前，我们还没有发现像地球这样对人类友好的星球。我们在哪里能找到这么好的家？你最近看过《火星救援》吗？火星离地球很近，你看环境有多糟糕。”另一个问题是:“有些人说移居火星可以降低房价。你认为它能减少多少？”我的回答是:“如前所述，火星环境恶劣。种植100平方米的土豆需要更多的时间，更不用说盖房子了。据估计，房价为每平方米1亿元人民币，仍有10%的折扣。至于财产成本，你自己想想吧。”当然，马特·达蒙的植物学家马克·沃特尼实际上种植了100多平方米的土豆。
火星是离地球最近的行星，而且还有水。一些人推测，火星上的条件可能与许多年前(数亿年前)地球上的条件相似，所以有生命存在。一些人进一步推测地球上的生命实际上起源于火星，也许是一些小行星撞击了火星，并把火星上的生命种子带到了地球。当然，这一切都只是猜测。“火星人”这个词在美国词汇中的意思当然不是我们的祖先，而是一个具有某种罕见品质的天才。我们领域中的一个火星人是爱德华·威滕。火星人一生都在研究超弦理论，但现在我认为这个理论真的来自火星，需要大约一个世纪甚至更长时间才能被实验证明。
既然火星是贫瘠的，我们为什么要探索它？月球更加贫瘠。这是一颗没有内部活动的死星(是的，月球上真的没有嫦娥和玉兔，否则它们只能生活在玄武岩上)。我们必须探索它。是的，未来月球上确实有许多非常有用的材料，比如氦3，它可以用于核能发电。然而，受控核聚变技术的实现还很遥远(大约和量子计算机一样遥远)，开发这种月球沉积物太昂贵了。你为什么想探索月球？为什么嫦娥四号要在嫦娥一号、嫦娥二号和嫦娥三号之后不久发射？为什么中国仍然计划把一个人送上月球？因为任何经济原因，我们真的不想去，因为月亮就在那里。
火星也在那里，人类当然想去。美国一两天都不想去。*有计划，人民有计划。埃隆·马斯克想去。他的SpaceX公司甚至想移民到火星。当然，如前所述，移民到火星是非常困难的，但是喊口号仍然可以帮助发展其他探索火星的计划。我们中国人对火星也有想法，火星探测器萤火虫1号诞生了，但是因为俄罗斯宇宙飞船没能进入轨道，萤火虫1号消失在广阔的太空中。我们相信，在探索月球的同时，中国将继续探索火星。“火星救援”中的阿波罗计划是中国的。这部电影融入了中国元素，包括阿波罗计划和陈数。这不仅仅是考虑中国的票房。阿波罗计划可能比美国更先进。我认为在未来20或30年内这是完全可能的。
我半天没谈论我的物理领域了。现在我想谈几段。首先，电影中的很多时间给了沃特尼种植土豆的情节。沃特尼是植物学家，我不是，所以我不知道在火星上种植土豆的困难。植物生长涉及许多生物条件，如土壤、肥料等。植物生长也涉及物理，例如光合作用的阳光。火星和太阳之间的距离是地球和太阳之间距离的一半，即1.5倍。根据最简单的光学公式，火星接收的阳光不到地球的一半。当然，土豆叶子应该接收到比这更多的光，因为火星上的大气更稀薄，吸收的阳光更少。缺乏光线也是火星温度非常低的原因之一。平均温度是零下55度。夏天很好。据说温度可以达到27度，这是阅读的最佳温度。
植物生长中涉及的另一个物理问题是植物对养分的运输。植物的维管组织负责运输养分。最重要的物理原理是毛细现象，它利用毛细作用。毛细现象是植物维管壁对水的向上拉力与重力之间的平衡导致水位上升，上升高度与重力加速度成反比。火星的重力加速度是地球的0.38倍。这样，水位的高度是地球血管系统中水的2.6倍。植物生长应该更容易。也许马铃薯会长得更高。当然，我不知道植物学。它肯定会更高还是需要几代进化才能变得更高？
当谈到火星上的重力时，我们不得不谈论另外两个话题。首先，我们看到沃特尼在火星上慢慢行走。事实上，在月球上行走会更慢。这有点违反直觉，因为当身体变轻时，我们会觉得走路更容易。事实上，人体更轻。如果你努力行走，你会奔跑，同时你的脚会离开火星表面。为了保持行走姿势，我们必须小心。正确的公式是行走速度是重力加速度的平方，所以火星上的行走速度是地球上的0.6倍。此外，月球的重力加速度是地球的1/6，月球的行走速度是地球的0.4倍。
另一个与重力相关的现象是山的高度。重力越大，山的高度越低。原因很简单。如果山太高，底部地面的压力太大，地面会自然下陷。根据计算，地球上最高的山是10公里，这是珠穆朗玛峰接近的高度。火星上最高的山脉原理是什么？最高海拔也与重力加速度成反比，这意味着火星上最高的山可以达到26公里。火星上的最高峰——奥林匹斯山，实际上已经达到了27公里，是太阳系中的最高峰。这座山也出现在火星救援中。
关于火星救援的物理学可以写很多。例如，这位黑人编程天才建议利用地球弹弓效应加速阿瑞斯3号宇宙飞船，宇宙飞船如何利用旋转产生人造重力，一个人如何在宇宙飞船中慢跑和锻炼，瓦特尼的肌肉和火星重力之间的关系，等等。
事实上，我也想谈谈瓦特尼的肌肉，这是令人钦佩的，但我们不要离题。
“火星救援”是以科幻电影的名义写的，是一个科学和鼓舞人心的故事。如果有一天我被拉去火星，我会做什么？我也会说瓦特尼说过的话，让科学帮助我生活，让科学征服火星。我现在老了，我不知道我是否能像他一样活500天。当然，意志力可能比体能更重要。我对沃特尼的意愿有信心。肌肉呢？我没有那么多。肌肉有好有坏，因为它消耗了太多的营养。
中山大学未来将在珠海校区建设一所物理与天文学院。我们将进行空间科技研究。也许，未来的“阿波罗计划”也会有我们的贡献。