雷德利·斯科特執導的新片，馬特·達蒙主演的《火星救援》，滿足的就是這樣一種想像：從無到有，一切都靠科學和雙手。
視頻：《火星救援》終極預告 馬特達蒙變身毒舌傲嬌小達人，時長約2分1秒
上中學的時候，我總拿著一本《SAS生存手冊》翻來覆去地看。作為一名理科生，相比書中的野外生存，更吸引我的，其實是作者的科學素養和動手能力。就像我靠在溫暖的沙發上，腦海中也卻想著和魯濱遜一起面朝大海，在荒島上建立新的家園——從無到有，一切都靠科學和雙手。
雷德利·斯科特執導的新片，馬特·達蒙主演的《火星救援》，滿足的就是這樣一種想像。
《火星救援》改編自同名小說,原著作者安迪·威爾不是職業作家，而是一名給魔獸爭霸2代寫過代碼的程式設計師。
安迪·威爾是物理學家的兒子，他的童年在阿西莫夫和克拉克的科幻小說中度過。我相信被黃金時代的科幻所薰陶的童年給了他硬科幻的寫作功底。
為了給「如何在火星上生存？」一個令人信服的答案，威爾開始寫作《火星救援》。本書的創作過程就是GEEK精神的勝利史：他自學了大量的航天知識，小說中的每一個日期，都源自他本人的精確計算。
2009年，威爾開始在自己的網站上連載，很快聚起來一批死忠讀者，這些讀者都是對科學細節極其挑剔的傢伙，每當有科學錯誤都會被挑出來修改。而後的2011年，這本「眾籌寫作」的小說在粉絲的強烈要求下，在亞馬遜以0.99刀的最低價出版。估計作者自己都沒想到，原本只有nerd粉絲的作品居然很快登上了科幻類作品的榜首，不到三個月賣出了35000本，比他之前網站上免費下載的次數還多！
2013年，小說的版權被皇冠出版社以超過十萬美元的價格買走，最終被導演雷德利·斯科特看中，而今年《火星救援》上映，立刻成為話題製作，票房口碑兩豐收——在我看來，這就是GEEK精神的勝利史！
在外星球求生這回事兒，聽起來像是天方夜譚。但原著作者是個較真的人：即使真的不可能，我也要知道詳盡的原因。本著科學的精神，我們來看看馬特·達蒙若想在火星生存，究竟會遇到哪些困難。
首先，Mark為什麼能在風暴中活下來？雖然，他的太空衣被刺穿，但傷口中滲出的血液及時凝結堵住了創口——且慢，僅僅靠著血液凝結就可以隔開太空衣內外的壓力差嗎？
火星大氣的密度很低，「海平面」氣壓大約只有地球的0.6%，而太空衣內的氣壓呢？目前，看似厚重的艙外太空衣並不能在其內部維持1個大氣壓的環境，而是只有32.4千帕，也就是約0.3個大氣壓：這倒是讓封堵創口的血塊壓力小了很多。
在相當於珠峰頂端的氣壓下，太空人依然可以呼吸自如，原因在於呼吸的幾乎是純氧——雖然氣體稀薄，但氧氣的密度並不比空氣中低。在這32.4千帕的氣壓裡，氧氣貢獻了20.7千帕，這就是所謂氧氣的「分壓」，通常用來衡量各種呼吸氣體中氧氣的有效濃度。
這樣看來，我們的主角並不會因為「漏氣」而死，這的確是符合邏輯的。不過假如他沒有及時甦醒，在氧氣耗盡之前，也可能因為氧氣中毒而徹底失去知覺——這話聽起來怎麼自相矛盾？
原來，太空衣呼吸系統的一個主要作用就是去除呼出的二氧化碳，Mark 暈倒這麼久，吸收二氧化碳的化學製劑早已飽和，為了防止二氧化碳中毒，太空衣開始主動排氣，並用備用的氮氣填充進來保持氣壓。當氮氣也不夠用的時候，只好加入過量的氧氣。如果氧分壓超過45千帕，中樞神經，視網膜，肺部就很容易受損。
不過，如果火星太空衣的氣壓和目前的艙外太空衣一致的話，Mark活下來的概率還是很大的。
清醒之後，Mark就得考慮自己到底能不能撐到NASA來救他的那一天。從地球發射火箭到火星，最基本的思路就是找到一條連接地球和火星的橢圓軌道。
圖1中藍色的軌道就是太空飛行器最常用的變軌方式——霍曼轉移軌道。 不難看出，走這條軌道所花時間剛好就是這條橢圓軌道周期的一半，而軌道周期只和橢圓的半長軸有關。
因為這條軌道的半長軸介於地球和火星之間，而一火星年等於1.88地球年，所以從地球到火星至少需要大半年的時間。也許有人覺得這條軌道顯然距離太長，為什麼不選擇短一些，譬如那條紅色的軌道。這條紅色軌道實際上是一個大得多的橢圓軌道的一部分，為了進入這條軌道就需要大量的能量，而人類目前的火箭技術還不足以支持這樣的飛行，而且，為了從這條軌道登陸火星，必須進行減速，減速所消耗的推進劑不會比發射時少多少，這都是技術達不到的。
實際上，以人類目前的航天水平，直接走藍色軌道都很困難，目前的大多數載人火星計劃都需要空間站進行物資中繼，所以剛開始，Mark根本沒去想NASA會專門發射飛船去救他，而是靜靜的等待四年後的下一個火星任務。
既然決心活下去，那麼生存三要素，空氣，水，和食物必須得全部搞定。Mark所在的火星「基地」本是給6名太空人執行31個火星日（Sol=Martian Solar day, 火星上太陽起落的平均間隔。等於24小時39分35.244秒，和地球的一天很是接近）的任務設計的，此前任務已經執行了6天，剩下的食物足夠他撐過300天。
飲用水和空氣倒是容易解決，基地裡的制氧機（可以分解二氧化碳）和淨水機只需要有足夠的電力就可以正常工作，萬裡無雲的火星很願意配合。看來最大的問題莫過於食物了：Mark 必須在小小的火星基地裡建立一個可以支撐數年的小生態系統，從而完成食物和排洩物之間的循環。
Mark最終選擇了土豆，這個決定我倒一點都不意外，除了美帝人民實在是喜歡吃土豆之外，土豆也是地球上畝產澱粉最高的作物，並且比較適合溫度較低的環境裡生長，考慮到火星溫度比地球要低，這也降低了這個溫室的負擔。至於火星的土壤，成分和地球其實是比較接近的：
圖2是勇氣號、機遇號和好奇號所測量到的土星土壤成分，有足夠的鈉，鎂，鋁，磷，鈣，鐵，只是缺乏氮，而這正是人類糞便中的豐富成分。當然，除了糞便，作為植物學家的Mark還帶了加入了一些提供根際微生物的地球土壤。有糞便中的有機物提供營養，這些微生物繁殖的不錯，要不也不會把Mark燻成那樣：原本脫水殺菌之後的糞便可不會那麼臭。很快Mark便有了一大片可供種植的「合成」土壤。
現在他需要解決第二個問題：灌溉。土豆產量雖高，但需要的灌溉量也十分驚人，單單靠著基地原本的水循環是遠遠不夠的（淨水機只能把已有的水再利用）。Mark必須自己生產水，而不是只靠淨水機做水的搬運工。他想起了火星登陸飛船的著陸部分，那裡面，有著大量的單組份火箭推進劑——聯氨。
原本這種燃料會被泵入燃燒室，在網格狀銥催化劑的作用下放熱分解成氮氣和氫氣產生推力。而火星大氣的主要成分則是二氧化碳，只要有電，制氧機就可以提供足量的氧氣。現在，Mark只需要拆下催化劑，讓聯氨一點點分解（片中是滴上去），然後在一個足夠長的「煙囪」裡上升，利用密度差分離氫氣和氮氣，在出口處點燃就可以獲得穩定的火苗。
大家也許還記得片中出現的小爆炸，片中沒有做詳細解釋，原著裡倒是提到由於居住艙本身的氧氣調節機制讓Mark的氫氣沒有燃燒完全，為了處理這些危險的氫氣，Mark「黑」掉了基地的空氣調節器，讓它把所有氧氣都儲存起來，然後用氧氣瓶裡的純氧一點點把多出的氫氣燒掉。結果因為Mark圖省事只是帶了氧氣面罩，自己呼出的氣體中殘餘的氧氣與氫氣混合發生了爆炸——僅僅靠著科學推理，就可以呈現出如此戲劇性的情節。
然後，Mark開始開著火星車在地面上漫遊了起來。這當然不只是為了觀光，解決了溫飽問題的他需要想辦法和地球聯繫。為了提高火星車的航程，他關掉了火星車的加熱系統，然後從土裡吊起了一個奇怪的柱子用來取暖。片中也提到了，這是一種含有鈽元素的核電池。
全稱是放射性同位素熱電機（Radioisotope Thermoelectric Generator，縮寫RTG，影片中也提到了這個縮寫），利用放射性衰變的熱量進行溫差發電，通常使用的同位素就是鈽238。這種電池通常呈柱狀結構，中央是放射性元素熱源，中間是溫差發電的電極，最外層則是散熱片。
從基本原理看，RTG要比核反應堆安全的多。首先內部不存在可能會失控的鏈式反應，而是速率穩定，不受環境影響的自發衰變；其次發電過程不依靠任何活動部件，也不存在高壓，用流行術語的話，這貨是「固態發電」。此外還有額外的安全措施：每一塊「燃料」都有單獨的外殼，燃料本身也是非常穩定不易融化的陶瓷物質（通常是二氧化鈽），固定「燃料」的內部殼體也是耐腐蝕耐輻射材料——只要Mark不把它砸開，就幾乎沒有洩露的可能。
當然要真是洩露的話，Mark可有好受的，鈽238是放射性最強的鈽同位素，雖然毒性沒有傳說中的那麼高（關於鈽的毒性有很多版本，能毒死全部人類的劑量從幾克到一磅不等，均不可信） ，吸入幾百微克就足以引發癌症，數毫克就可能致死。就算洩露時Mark正好穿著太空衣，衰變時的大量中子也可以輕易穿透防輻射層抵達人體，接下來就是白血病以及各種癌症併發症。
二氧化鈽，紅熱狀態來自自身的衰變熱。金屬鈽238衰變熱高達每千克560瓦，雖然RTG的發電效率不怎麼樣，暖暖身子倒是挺合格。
Mark出遠門的主要目的，就是為了找到1996年發射的火星探測器——探路者號。（Pathfinder）
探路者號於1997年7月4日到達火星，著陸地點距離Mark的基地大約800公裡。由於火星大氣主要成分是二氧化碳，幾乎沒有水和氧氣，因此在火星表面暴露幾十年之久的探測器並不會因為化學腐蝕而出毛病，主要需要擔心的就是長期暴露在太空輻射下可能導致的電子器件失靈，不過大多數太空飛行器都有相當好的防輻射措施，所以讓探路者號恢復工作的成功率還是很高的。
在Mark讓探路者號起死回生之後，便可以通過上面的攝像機向地球直接傳送信息，但是NASA卻無法直接回應，畢竟在設計探測器的時候沒人會想著這玩意兒有一天居然會被用來Facetime。
最終Mark和NASA約定用16進位的ASCII編碼來傳遞信息。熟悉計算機的讀者都知道，美國信息交換標準代碼（American Standard Code for Information Interchange）利用兩位16進位數，最多可以表示256個字符（實際只定義了128個），用來顯示所有字母和阿拉伯數字綽綽有餘。
影片中NASA只需要控制探路者的360度攝像頭指向16個不同的方向就可以向Mark發送信息。此後，Mark在NASA的幫助下「黑」進了探路者，成功實現了信息的雙向傳遞。據NASA介紹，探路者上的確有相應的接口可供Mark連接電腦進行操作。
圖5 . 1996年，位於噴氣推進實驗室（JPL）的探路者號探測器，其中離我們最近的太陽能板上是旅居者號探測小車，電影中也有展示。
就在看起來一切順利的時候，Mark的火星溫室卻發生了爆炸。究其原因，原著中也有提及。在常壓的室內和幾乎真空的室外之間，需要有一個過渡艙段——減壓艙。每次出門時，這個艙室的氣壓會從一個大氣壓降到0.06個大氣壓，每次返回時又會升到1個大氣壓，而連接艙室和減壓艙，並且保證氣密的，通常是柔性材料，譬如塗布了高分子聚合物的碳纖維布。
片中這些材料的使用時間顯然遠遠超出預計，由於事先遭遇了強風，再加上不斷進出時導致的壓強變化，超過了碳纖維布的疲勞極限（譬如原本粘合在一起的多層碳纖維出現了脫膠），最終支撐不住導致爆炸。如果減壓艙的橫截面積在2平米左右，那麼爆炸瞬間可以產生超過20噸的推力，的確可以把Mark和減壓艙一起拋出好遠。
由於Mark的農產不復存在，NASA必須進行一次緊急發射提供足量的食物，然而此時距離Mark徹底斷糧還有四百多天，而地球到火星「只」需要9個月，為何如此時間反而如此緊迫？別忘了地球和火星處於不同的軌道，相對位置一直在變化，此時火星已經偏離理想位置太遠，簡單的霍曼轉移軌道無法讓貨運飛船和火星交匯。這枚火箭可能需要到達能量更高的軌道，並且在這條軌道上運行將近一個周期才能到達火星，這本身就需要大約400天——所以NASA才必須爭分奪秒準備這艘補給飛船。
只可惜這次任務失敗了，電影中，一位黑人天體物理學家想到了補救的方案——利用地球引力改變Hermes空間站的軌道，讓它重回火星救回Mark Watney。在這個方案中，Hermes都只是飛過地球和火星，在這兩次短暫的「相會」中，NASA必須把足夠的給養送到Hermes上，然後讓Mark有能力掙脫火星引力的束縛接近Hermes。即使是看似簡單的第一個任務，也需要推力強大的火箭才能完成，因為此時Hermes相對地球的速度非常的快，火箭除了能掙脫地球引力，還需要加速到足夠追上Hermes才可以。影片採取了近年來好萊塢常用的「太空出事靠中國」的思路，借用了強大的「太陽神」推進器把給養送達了Hermes。
Hermes的軌道，綠色是任務開始時從地球到火星的軌道，黃色是第一次離開火星的軌道，它在星號處開始變軌，在數字3處利用地球引力大幅改變軌道，在4處飛越火星，救回Mark。
電影中的Hermes和通常的火箭不同，使用了等離子推進器。這種推進器的特點是效率極高，比通常的化學火箭高出近兩個量級，因而很適合長期的太空任務。然而這種火箭的推力也非常的小，在大多數時候，Hermes的速度每秒鐘只能增加2mm/s。這也導致Hermes的變軌需要長時間的積累，計算它的軌道也會比普通的火箭困難。普通的化學火箭發動機工作時間只有幾十到幾百秒，相對整個任務來說幾乎是一瞬間，每次變軌可以看成是被「踹了一腳」，之後就只需要考慮引力影響，而計算Hermes的軌道則需要考慮等離子引擎推力的積累效應，從解析角度看，方程會複雜很多，不過對於現代計算機依然是小菜一碟，片中的想出變軌方案的工程師Rich Purnell不得不偷偷利用超級計算機來推算軌道，是過於誇張了。
原作者倒是在自己的網站上給出了完整的軌道計算程序（包含原始碼），感興趣的讀者可以自己去試試：
http://galactanet.com/martian/
現在Mark所要做的，就是前進3000公裡，到達計劃中的戰神4號著陸點，利用已經預先著陸的「火星發射載具」（Mars Ascent Vehicle， MAV）脫離火星，與Herme會和。為了完成這段長途跋涉，Mark需要把制氧機和淨水機安裝到火星車上，為此他必須給火星車「擴容」——在車頂開一個大洞，然後用多餘的帳篷密封起來，做成一個鼓包。
這裡有必要提一下片中所提的戰神任務流程：在太空人到達火星之前，會有一系列的無人任務向火星投送給養，其中一個關鍵物資就是火星發射載具。這個精緻的小飛船為了節省重量，只攜帶了液氫作為製造燃料的原料（我猜測最有可能的原理是利用薩巴捷反應把氫氣和二氧化碳變成甲烷和水），而用作氧化劑的液氧則利用制氧機分解二氧化碳獲得，整個過程大約需要24個月，因此它差不多是每次任務中最早到達火星的。在Mark最終到達戰神4號著陸點的時候，它已經製造了一年半的燃料，再加上Mark電解水甚至尿液獲得的液氫液氧，火星發射載具的的燃料應當是充足的。
不過，MAV原本只是為了離開火星表面，到達比較低的軌道高度，然後Hermes也會減速進入火星軌道，最終完成對接。然而，這次Hermes由於軌道受限，只能高速飛越火星，MAV需要以更高的速度到達更高的軌道來和Hermes會和，為此，Mark必須儘可能的為MAV減重，於是我們看到了電影中的一番大掃除：五個座椅，操作設備，擋風玻璃，備用燃料泵等到都被拆掉。
這一番大動作，MAV減重大約40%，這意味著起飛時的加速度會比通常的8到9倍重力加速度要高，達到12倍！即使是受過抗過載訓練的人，也可能會失去意識。雖然電影中有句臺詞叫「Space never cooperates」，不過火星的兩大特性在這裡可幫了大忙：火星大氣的密度大約只有地球的1%，也就是說為了達到同樣的「風力」，火星的風速得是地球的100倍，即使MAV加速到數千米每秒，也就相當於在高速上開窗而已，於是可以讓MAV不考慮外形是否流線而被改造成敞篷車，Mark自然也可以耐受住迎面而來的風力；只有地球三分之一的重力讓MAV只需要單級火箭+減重就可以脫離火星軌道，要知道在地球上，即使只是進入高度最低的近地軌道，單級火箭也幾乎是不可能辦到的（除非有效載荷極小）。
最終，由於「敞篷」在起飛過程中脫落導致阻力增加，Mark沒能達到預定高度，Hermes必須進行機動才能到達相應位置。在太空航行中，限於人類目前的推進技術，位置永遠和速度息息相關，為了和Mark對接，變軌後的Hermes與Mark的相對速度會超過40米每秒，必須用非常手段進行減速。單靠艙外太空衣的動力無法完成這種規模的加速，這意味著整個Hermes的速度都需要降低大約30米每秒。
電影給出的瘋狂想法我非常喜歡：既把情節推向高潮，也有足夠的科學依據：炸開Hermes前進方向上的某個艙門，艙內的空氣會以數百米每秒的速度噴出，如果還能帶出一些雜物，算上艙門爆炸時的反衝，的確有可能產生每秒十米量級的速度變化，從而讓Hermes上的太空人安全「捕獲」我們的主角。
說了這麼多，還是得提一下電影最大的科學「硬傷」——開頭風速接近每小時300千米的風暴（有記錄的颱風最大持續風速大約是315km/h），只可惜這樣的火星風暴相當於地球上時速幾千米的微風。作者本人也知道這一點，他原本安排了一個MAV發動機實驗事故的開頭，後來覺得《火星救援》既然是一個人挑戰自然的故事，用自然災害作為起因顯然才夠酷。
用科學推理創造困難，再用科學實驗解決困難，《火星救援》堪稱「硬科學」電影的典範。如果想了解更多細節，強烈推薦閱讀原著，絕對稱得上是一本詳盡的火星生存手冊，其中的幽默感相比電影更是有過之而無不及。