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首都科学讲堂第651期《科幻电影中的科学》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-07-06

  2020年7月4日,受新冠肺炎疫情影响,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中国科学院计算技术研究所大数据研究院院长、科普中国2019年度“十大科学传播人物”王元卓,为大家带来主题为《科幻电影中的科学》的精彩讲座。

 

  应对疫情防控,首都科学讲堂线上开讲。为坚决贯彻落实习近平总书记对新型冠状病毒感染的肺炎疫情作出的重要指示精神,北京科学中心坚持“疫情不解除,科普不掉线”,积极开展疫情防控和应急科普,切实做好知识普及和引导科学防控等工作。本期首都科学讲堂使用科学加APP、腾讯新闻客户端、新浪科技客户端、一直播APP等平台开展直播,采用“直播+录播”双管齐下的新颖方式,让公众足不出户,也能获得最权威、最前沿的科普内容和资讯。首都科学讲堂在疫情防控期间将灵活运用各类载体形成宣传阵地,利用网络手段为公众带来更多丰富主题的线上活动,进一步发挥科普在疫情防控中的重要作用。

科幻电影中的科学

  如何通过科幻电影在孩子心中播下科学的“种子”?如何从日常生活入手,培养孩子们的科学精神和创造力?

第一讲 科幻为孩子播下科学种子

  科幻跟科学有什么关系呢?科学是建立在理性基础上,是非常写实的;而科幻通常是建立在感性基础上的,非常写意。科幻作为一种文学形式,把一些科学的理论向未来延伸,是对未来自然界产生的幻想。二者有着非常密切的联系,比如:科学幻想对科学发展有着预言和推动作用,它是科学发展的助燃剂。而科学的不断发展也会带动科学幻想的升华,它是科幻作品创作灵感的燃料库。

  大家都熟悉科幻电影,那么什么是科幻电影呢?我的回答是:科幻电影是建立在科学的基础上,增加了人们的科学幻想情节和假设场景。科幻电影有虚构、幻想成分,但是它的基础是人类的科学技术,并且遵循自然定律,与真实生活密不可分。值得大家观看的经典科幻电影有《霹雳五号》《月球旅行记》《2001太空漫游》,等等。

  1986年上映的《霹雳五号》,对我走上科研道路产生了重要的影响。《霹雳五号》讲述了一个被雷击中的机器人,拥有了人类的情感、意识和超强能力的故事。我记得,当时我和同学们都希望拥有那样呆萌可爱而又非常先进的机器人,并且非常想和“霹雳五号”成为朋友。

  1991年,正在上中学的我对科幻动画片《变形金刚》到了痴迷的程度,在兴趣的驱使下,我使用200多个易拉罐制作了一个高达一米、可以变形的“擎天柱”,这个放置在自己床头的“擎天柱”伴我度过了中学时代。

  2008年,科幻动画片《机器人总动员》的全球票房累计超过了5.3亿美元,片中名叫瓦力和伊娃的机器人,至今被人津津乐道,可见机器人题材的科幻影片多么受人喜欢,也正是因为喜爱和兴趣,才让科幻电影在很多人心中播下了科学的种子。

  2014年,为了我的大女儿,仅耗时一周,就用极其简单的材料做了一个可以简单对话的小机器人——瓦力。读幼儿园的大女儿总把“瓦力”带到学校,因为这个机器人让她感到非常自豪和骄傲。

  2015年、2016年,我又使用废旧铁皮和网络上购买的元器件,为小女儿制作了性能更加强大的“瓦力二号”和“瓦力三号”。可以通过脑电波互动,可以双足跳舞和做复杂动作,可以智能对话的“瓦力三号”已经成为我家重要一员。

  我特别想和家长们分享的是:我并不是研究机器人的,只是一个机器人爱好者,我做机器人的技能和很多家长一样,所以只要大家想做,就可以实现。而且我和孩子们制作的机器人,是任何地方见不到的、买不到的,是独一无二的。

  从1991年的“擎天柱”到2016年的“瓦力三号”,这25年里,我心里面的那颗种子一直都在,直到它生根发芽。我认为,一旦科学的种子在心里生根发芽,就有可能在条件允许的时候开花结果。

  所以我想和大家说,“曾经的梦想,现在就可以用如此简单的方式出现在普通人的生活当中,必须要向在我们心中埋下科学种子的科幻电影致敬!”

第二讲 如何培养孩子们的创造力

  很多家长朋友们都会问我这样一个问题:不远的将来哪些职业有可能会被人工智能取代?我的回答是:简单重复性的工作会被取代,比如超市的收银员、安全监控员,等等。还有就是可以用一个目标函数进行优化的职业会被取代,比如翻译。我们的孩子们应当重点培养什么样的能力,才能在未来的职业发展当中立于不败之地呢!我的答案很简单:培养孩子们的创造力。

  作为大数据和人工智能方向的科研人员,我认为,培养孩子的创造力首先要设定目标,然后是要制定简单可行的方案,而且方案要能满足我们的需求,最关键的第三步是动手实施。按照我的经验,以上三个步骤,既可以培养孩子们的创造力、创新意识,又可培养、提高孩子们的动手能力。创造力又是如何体现出来的呢?它可以从国家层面体现出来,比如神舟系列飞船、量子计算机,等等。它还可以体现在我们的生活中,比如创意画、剪纸、科技作品,等等。

  在我看来,创造力可能无法带给我们财富,但它可以让我们享受到别人享受不到的成就感、新鲜感,甚至让我们的生活变得更加美好。我个人觉这些远比财富和名声更重要。

  如何更好地发挥或者培养我们的创造力呢?我非常认同美国著名积极心理学专家米哈提出的“心流”理论,“心流”能驱动我们全心全意地投入到某一项工作中,并在这个过程中极大地激发我们的创造力。

  当然,激发孩子们创造力、创新意识最好的动力要算好奇心和兴趣了。我们可以不断寻找让自己感到新奇的事情,还可以通过参与、体验和感受激发孩子们的好奇心和兴趣。

  我的大女儿月月五岁的时候想亲手做个蝴蝶风筝。在我的启发下,她决定做一个用棉线和竹子就能搞定的传统风筝。月月手绘了风筝图案,而且全程参与了风筝的捆扎、粘贴。2019年月月十岁了,她的风筝依然可以在蓝天飞舞。女儿自豪地说,“爸爸,天上只有我们这一个风筝是我们自己做的。”我想和大家分享的是,孩子们享受成果的过程,也就是激发他们好奇心和兴趣的过程。我两个女儿的动手能力是在不断训练、反复实践中培养出来的。每年的腊月二十五,我都会和孩子一起画葫芦。腊月二十八,我都会和女儿们剪窗花,她们的每一笔、每一剪都是创造力、动手能力的体现。

  其实,孩子们的创造力离不开模仿。我的大女儿模仿我的手绘,制作了包括鬼谷子、苏秦、张仪、庞涓在内的战国人物手绘,并且描绘出了人物之间的关系。大女儿的手绘在微博上,竟有了100多万的阅读量和互动。小女儿看到我的手绘,也有了创作的念头。六岁时,她模仿着我的作品写了她自己的小说并配图,起名《The Island of Treasure》。

  当然,家长要留给孩子试错的空间,还要搭建培养孩子创造力和动手能力的试错平台。孩子画错了、剪坏了、作品作废了没关系,我们重新开始。我在家里面给孩子们做了黑板墙,在这面墙上,孩子们可以尽情地乱写乱画,可以绘制她们想要的各种图案。我从事科研最真切的感受是:创造和创新有时是一种情怀,而非急功近利。孩子们的创造力正在拥抱一个前所未有的机遇期。很有可能孩子们的创新想法会改变人们未来的生活,而且不会像我从“擎天柱”到“瓦力三号”那样一等就是25年。所以,拥有创造力就可以让我们拥有更多的乐趣,让我们享受更多的幸福。

第三讲 科幻电影启迪科学发展

  科幻电影是如何启迪科研灵感的呢?首先让我从2002年上映的科幻电影《少数派报告》说起,这部影片展示了2054年大数据的神奇力量。人类的司法审判制度已经“进化”到了在犯罪发生之前,通过大数据分析预知犯罪并逮捕将要犯罪的“罪犯”的地步!通过数据对未来进行预测分析,从而为我们的生活带来更好的帮助,就是我研究的领域。

  影片中描述的大数据是什么?它是在可容忍的时间周期内,使用现有架构、软件、硬件,都没法进行有效地感知、获取、传输、存储、计算的数据集合。简单说,就是用现有技术处理不了,或处理不好的体量很大、增长很快的大数据。大数据的来源有两个,第一个来源是通过传感器观测获得的、来自物理世界的数据,比如天文数据、生物数据、脑科学数据,等等。第二个来源是人们的行为产生的数据,比如社交网络、在线购物等。大数据能帮我们人类干两件非常重要的事情,一件是对现在进行准确地感知,另外一件就是预测未来。

  有人会问,通过大数据预测未来真的靠谱吗?答案是肯定的。新冠疫情初期,我们的团队采用官方数据,通过有效的预测模型,对中国、美国等十余个国家三天内的疫情发展态势做了预测,平均准确率达到99.6%。所以,优秀的科幻电影确实可以帮助科学家打开脑洞,引导科研工作的走向。

  让我们再说说另一部启迪科学发展的科幻电影吧!国产优秀科幻电影《流浪地球》里,有很多值得大家思考的科学问题和科学知识。比如:空间站使用的人工智能控制系统——Moss,Moss具备非常丰富的知识和数据储备,能够非常流利地和人类进行交流、互动,还可以对空间站的人员进行监控、分析,非常关键的是它永远都处于理智状态。具备自我净化、自我学习能力的虚拟生命系统Moss能否成为现实呢?我认为,还有很长的路要走。尽管阿里小蜜这个基于规则服务的机器人,准确率可以保持在95%以上。IBM的沃森可以对人们的疾病进行诊断,平均准确率可以达到80%以上。但是要想实现和Moss一样的虚拟生命水平,人类仍然要付出更多努力!

  我个人非常喜欢科幻电影,我也非常关注科幻电影中带给科研人员有益启发的知识。我希望未来的科幻电影,呈现更大的脑洞、更多的意想不到。比如,百万光年以外星系是什么样的?前溯千万年以前宇宙的样子,后溯千万年以后宇宙的形态。

  在这里,我非常想跟大家分享一下我的几个观点。第一,科学家参与科幻电影的创作,可以让电影中的科学技术更加稳固和合理;第二,好的科幻电影是可以帮助科学家打开脑洞,引领科研方向的。第三,优秀科幻电影和小说是没有围墙的全民课堂,进行科普教育,可以更容易地让科学走进孩子们的心灵,走进孩子们的生活。

  我认为,优秀的科幻作品一定可以提高全民族的科学素养,并必将催生更多、更优秀的科研成果,也必将催生出更多更优秀的年轻学子。

第四讲 科学家奶爸的宇宙手绘

  观看《流浪地球》电影后,我为女儿手绘的六幅讲解图,被朋友发到网上,得到了100余家媒体的报道、转载,微博的阅读量超过了1.5亿人次。最让我意想不到的是,《流浪地球》手绘讲解图还被翻译成了英文,并被多家海外电视台报道。

  在很多朋友的鼓励下,我在“六幅讲解图”的基础上,绘制出了《科学家奶爸的宇宙手绘》这本科普手绘书籍,这本书不仅得到了千万网友的关注,还得到了多位院士的推荐。袁亚湘院士认为这本书,是赏心悦目的不失童真的科普作品,可以对各种太空知识进行满载科学家严谨的讲解。周忠和院士说,越是通俗的东西成年读者越喜欢,尤其适合作为家庭亲子阅读作品。欧阳自远院士说,每一幅图画背后都是一场场科学的探索,是一份献给广大科学爱好者的礼物。

  我还记得影片《流浪地球》中的这样一个情节,领航员号空间站带领地球飞往远离太阳的宇宙深处。

  有人会对这个情节提出质疑:“领航员号空间站是如何与地球保持通信畅通,并将指令传递给人类呢?”

  影片中的地球在流浪、逃离过程中,已经停止了自转。我想提醒大家的是,停止自转的地球,南极面向逃逸方向、背对太阳,所以包括南极在内的整个南半球都是暗无天日的黑夜。相反,面向太阳的北半球一直是白昼。领航员号空间站如何与地球背面、北半球的人类进行通信呢?可以用无线电波跟北半球的人类通信吗?答案是否定的,因为无线电波无法穿透地球。通过中继卫星保持联系可行吗?答案是否定的,因为逃逸的地球已经“抛弃”了月球、地球同步卫星等伙伴。一种合理的解释是:人类在地球上建立了数量足够多的超级通信基站,领航员号发出的信息通过一个个超级通信基站,传递到北半球。我认为,很可能还有更好、更合理的解释,但是需要青少年朋友们开动脑筋,给出答案。我之所以这样说,是希望通过科幻电影的科学知识点启发孩子们思考,只要孩子们能在假设范围内自圆其说,就都是好答案。

  我个人认为,2017年,由诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩担任科学顾问的科幻电影《星际穿越》,是科学性最强的科幻大片。

  我的两个女儿看完《星际穿越》后,对影片中的很多情节产生了浓厚兴趣,她们提出了很多问题:如何进行跨时空穿越?黑洞是如何产生的?虫洞是什么样子的?大女儿又在与小朋友们的交流中,发现了更多新鲜有趣的问题。我根据大女儿关注的问题,甄选出十个知识点,进行了详细解答。我告诉大女儿,四维空间可能是在三维空间基础上,增加了时间维度。五维、六维甚至更多维度的空间是什么样子呢?我们可以展开丰富的想象,想象更多维空间是在四维空间上增加更多条时间线,进而构成所谓的平行宇宙。而平行宇宙也许就是,人在同一个时刻拥有不同身份、不同生活的空间。多维空间不仅给我们带来了想象空间,还更值得大家去探索。

  另一部经典科幻电影是《火星救援》,这部影片讲述了一位被遗留在火星的宇航员,独自发挥自己植物学家特长,种土豆、吃土豆生存500天的故事。非常巧合的是,我特别喜欢带着两个女儿种菜,而且一种就是七年。一次女儿问我,为什么我们家每年都要种土豆?我笑着回答,“学会种土豆,就可能在火星上生存了”。于是我就找出《火星救援》让两个女儿看,如获至宝的两个女儿非常喜欢这部电影。为了她俩我再次总结出人类如何登陆火星、宇航服的内部结构、如何在火星种土豆、火星上的土豆与地球上的土豆有什么不同等10个科学知识点,并详细地讲解给她俩。之后,我将如何与大家分享科幻电影中的科学知识呢?我将挑选物理、量子、人工智能、芯片、机器人等领域的十部经典科幻电影,并为这十部电影手绘一百个科学知识点的讲解图,向青少年讲解这些科学知识,以便更好地培养他们的科学思维,激发孩子们对科学的兴趣。

  最后,我想跟大家分享的一句话是:优秀科幻电影和小说是没有围墙的全民课堂,进行科普教育,可以更容易地让科学走进孩子们的心灵,走进孩子们的生活。  

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