美國人的科幻內參（二）：《公平硬幣》《黑色伊甸園》《火星救援》

科技 06-03

小說《公平硬幣》封面

《公平硬幣》

(Fair coin, 作者E.C.Myers)

應用年級：9年級~ 10年級

這篇小說深入到理論物理和量子論，其中的主題通常是高中學生非常著迷的。雖然故事中涉及的概念很複雜，但它提供了一個恰到好處的語境，可以討論這些理論及其應用潛力，這對學生非常具有吸引力。

討論問題及課外活動

1. 在P130，吉娜提到時間悖論的概念，這個概念涉及時間旅行的理論可能性問題。請解釋時間悖論。有什麼理論可以提供解決這個悖論的途徑？

2. 在討論平行宇宙的可能性時，吉娜說，「多重宇宙不是科學幻想，而是正兒八經的理論。（P132）」然後她接著說，這個理論是量子力學的一部分。請說明平行宇宙或多重宇宙的科學理論。

3. 「薛定諤的貓」是在說明物理學的什麼理論？為什麼這個理論難以證實、也難以證偽？它與處在小說情節核心位置的理論物理是什麼關係？

4. 什麼是「公平硬幣」理論？它與量子物理學是什麼關係？請自己動手做一做公平硬幣實驗，記錄實驗結果。（哥倫比亞大學為此活動設計了一份精彩的實驗指南，詳情見http://tinyurl.com/l2c79）

5. 請對弦論做初步調研。該理論的核心概念是什麼？（P133）你認為弦論在小說的情節設計中是否重要？占什麼地位？請說明。

6. 在P137頁，伊福萊姆開玩笑說，他沒有放射性。而吉娜回答說，「你怎麼知道呢？你有蓋格計數器嗎？」放射性是什麼引起的？蓋格計數器的工作原理是怎樣的？

7. 多重分身（doppleganger）是什麼？它跟多重宇宙理論之間是什麼關係？

8. 小說中的人物是如何在平行宇宙之間穿梭旅行的，其具體機制是什麼？從理論上說，像「公平硬幣」那樣的物體可能存在嗎？請說明。

9. 在P184，佐伊發表議論：「俗話說，『任何過於先進的技術都與魔法無異』。」請說出一種你認為非常具有「魔法」感的技術來，並解釋其科學原理。

10.「模擬（anologue）」這個詞在小說中是如何使用的？請研究這個詞的詞源。它最早是何時開始使用的？它當時是用來描述什麼的？它在其他科學分支裡面是如何使用的？

實驗室活動

量子物理學

與教學標準的相關性（略）

其他相關書籍

《量子硬幣》（Quantum Coin，E.C.Myers著）

《一無所有》（The Dispossessed，Ursula Le Guin 著）

《實踐效應》（The Practice Effect，David Brin 著）

《諸神自身》（The Gods Themselves，Isaac Asimov 著）

《時間線》（Timeline，Michael Crichton 著）

《獸之數》（The Number of the Beast，Robert Heinlein 著）

相關電影

《時間簡史》（A Brief History of Time, 1991 導演：Errol Morris）

小說《黑色伊甸園》封面

《黑色伊甸園》

(Dark Eden, 作者Chris Beckett)

應用年級：9年級~ 10年級

一男一女兩個宇航員被困外星球，幾代人之後，他們存活下來的後代及其所創建的社會，即「大家庭」，他們的生活如何呢？《黑色伊甸園》就講述了他們的故事。小說的年輕主人公約翰試圖跨越高山，尋找新的土地，而「大家庭」的領袖們依然等待著來自地球的救援，不敢離開最初的著陸點，他們之間的衝突引發了小說的高潮。本書適合探討一些跟生物學和化學有關的問題。

討論問題及課外活動

1. 根據書中對星球「伊甸園」的描寫，需要什麼技術才能把載人航天器送到這麼遠的空間？（參見P68，P83-84，以及P130-131的口述歷史對最初著陸的描述）若要實現銀河系之外的空間旅行，工程師們會面對哪些困難？你認為我們離這種技術還有多遠？

2. 伊甸園星球上沒有太陽，因此沒有光和熱的來源。那麼，是什麼使得這顆星球適合人類居住呢？

3. 要能支持人類生命，大氣層中必須具備哪些元素？請設計一個構想，可以科學地解釋伊甸園星球上這些元素存在的理由。

4. 伊甸園上最初的殖民者必須以亂倫的方式來繁殖後代，否則就會面臨滅絕（P85-87）。亂倫繁殖會出現什麼樣的基因後果？這些後果在相繼的世代中會增加還是減少？請在對伊甸園居民的描述中,找到這些複雜情況的具體例子。

5. 伊甸園居民沒有傳統的手錶或者日曆。為什麼沒有？他們如何計算、標記時間？從科學角度看，為什麼他們這樣做是有道理的？

6. 請詳查P48上關於樹木的描寫。因為沒有光合作用，植物用什麼做能源？這種方式怎樣為伊甸園居民提供了光和熱的資源？

7. 根據對樹木的描寫：它們的汁液以及「樹樁糖」的可食用結晶體（P48-51），請設想一下伊甸園星球上有哪些化學元素？它們發生著哪些化學反應過程？

8. 伊甸園星球上的動物跟地球上的動物有什麼相似之處？又有什麼不同之處？它們具有什麼樣的適應性，從而可以在無光的條件下生存？選一種動物來具體、深入地說明其生物過程，並與其相應的地球物種進行對照，比較異同。

9. 找出伊甸園上的各種光源，同時，請比較生物熒光（bioluminescence）、磷光（phosphorescence）、冷光（luminescence）和光致發光（photoluminescence）。根據小說中的描寫，伊甸園上是哪一種發光過程在起作用？為什麼？

10.請設想地球上的一個沒有陽光的生態系統。其中的生物體具有什麼適應性才能在此生存？這個生態系統跟伊甸園上有何類似？有何不同？你願意去伊甸園那樣的星球生存嗎？為什麼？

實驗室活動

基因學；生物熒光；光致發光；冷光；生物適應

與教學標準的相關性（略）

其他相關書籍

《伊甸之母》（Mother of Eden， Chris Beckett著）

《麻雀》（The Sparrow， Mary Doria Russell 著）

《紅火星》（Red Mars，Kim Stanley Robinson 著）

《嚴厲的月亮》（The Moon is a Harsh Mistress，Robert Heinlein著）

《火星編年史》（The Martian Chronicles，Ray Bradbury 著）

相關電影

《阿凡達》（Avatar, 2009 導演：James Cameron）

小說《火星救援》封面

《火星救援》

(The Martians, 作者Andy Weir)

應用年級：9年級~ 10年級

故事發生在近未來。宇航員馬克在任務失敗後被困火星，機組成員和NASA認為他已無生還可能。但馬克用自己的植物學和工程學知識背景找到了生存的途徑，並設法使NASA意識到他還活著，於是，一場搭救馬克的衝刺開始了……

討論問題及課外活動

1. 本書第一章，作者描述了讓馬克受困火星的那次任務。請詳查本章提到的技術。是什麼阻礙了我們執行飛向火星的載人航行？描述這種航行任務的必要條件。將宇航員送上火星，我們距離擁有其全部技術有多遠或多近？

2. 請說明馬克記錄時間的方式。為什麼用「火星日」（Sol）而不是用「天」（day）來記錄是更合理的？一個Sol時間段是多久？

3. 馬克為了存活下來，必須擁有足夠的資源。詳查馬克是怎麼計算他需要多少資源的。你認為他的計算合理嗎？請說明。

4. 詳查馬克用氫氣和氧氣來製作水的化學過程（P24-27）。這個過程有什麼特別危險之處？馬克的計算犯了什麼錯誤（P45-47）？

5. 歸納總結馬克在整個故事中用到的能源（比如：太陽能電池、放射性同位素溫差發電機、離子發動機、可充電電池）。這些能源各有何優點及風險？

6. 為了生存，馬克創造性地改裝了他的儀器設備（比如在P258-259，及P300-301）。作家將這些與阿波羅13號登月計劃的真實故事相提並論。請調研阿波羅13號及其救援所用到的工程技術。請設計一個可行的計劃或模型，使用某種現成設備的零部件改裝出一個具有完全不同功能的設備。「Instructables網站」或許能給你一些主意，參看電影《阿波羅13號》的這個片段獲得靈感: http://tinyurl.com/A13clip

7. 說明馬克試圖在火星上發展農業時面臨的挑戰。為什麼細菌在農用土壤中是必需成分？馬克是怎樣克服最初的那些困難的？

8. 你可能看過奧斯卡獲獎影片《地心引力》，它也是一個關於宇航員在計劃失敗後掙扎求生並最終返回地球的故事。請閱讀關於本片中的科學的相關文章（比如《華盛頓郵報》上的這一篇：http://tinyurl.com/WP-Gravity）。選擇《火星任務》中你認為最有趣、最令人激動的時刻，研究其涉及的科學成分。據你研究，你認為故事中的這一片段是否具有真實發生的可能？

9. 在整個故事中，馬克找到無數種方法來改裝使用他的EVA宇航服，研究EVA宇航服的工程設計。這些設計是為了什麼目的？EVA宇航服的製作材料是什麼？科學家在設計EVA宇航服時特別困難之處有哪些？這些設計隨著技術的進步，發生了怎樣的改變？你可以從NASA網站的太空服設計交互頁面開始你的探索：http://tinyurl.com/os2ldp9

10.請說明「彩虹號」發射失敗背後的物理學原因。（P187-191）

11.請說明馬克失誤導致「探路者」失去動力背後的物理學原因。（P224-228）

12.為了在火星上導航，馬克製作了一個家用六分儀（P288）。請解釋六分儀的功能，並製作一個你自己的六分儀，測試其是否有效。

13.解釋馬克是如何知道火星上有一場沙塵暴的。他是怎麼憑觀察而知道沙塵暴的方向和速度的？為什麼這些信息至關重要？

14.解釋馬克將水轉化為火箭燃料的化學反應過程。（P335-336）

15.解釋馬克最後一次發射並與救援小組取得聯繫所涉及的物理學定律。

實驗室活動

化學反應；工程學；物理學

與教學標準的相關性（略）

其他相關書籍

《宇航員地球生活指南》（An Astronaut』s Guide to Life on Earth，ChrisHadfield 著）

《來自火星的明信片》（Postcards from Mars，Jim Bell 著）