本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
本周末我将在北卡罗来纳州的Science Online 2013参加会议，主持一个由io9的安娜莉·纽维茨参加的关于科学与科幻小说的小组讨论。这是一个我们都非常关心的话题，安娜莉上周在她探索《星际迷航》的进化生物学的文章中开始了预先讨论。我想通过谈论一下多年来科学是如何融入流行文化的历史——尤其是科幻小说，来做同样的事情。
一个特定时代的普遍科学世界观总是反映在当时的艺术和文学中——更不用说神学了。16世纪的情况肯定是这样的，当时古老的托勒密世界观仍然盛行，地球位于太阳系的中心，月球、太阳和当时已知的行星以完美的圆形轨道围绕地球旋转。人们认为这种运动会产生一种天上的音乐——“天体音乐”——对于堕落地球上的有罪的人类来说是无法察觉的。月球以下的任何东西都是“月下的”，与太阳系其他部分的恩典状态分开。
弥尔顿、莎士比亚、约翰·多恩和许多其他主要的文学人物的作品中都充满了对这种世界观的暗示，但当约翰·戴维斯爵士在1596年写下他的诗歌《管弦乐队》时，随着哥白尼革命获得动力，托勒密体系开始瓦解
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只有地球永远静止不动，它的岩石不会移动，山脉也不会相遇；
尽管有些才智之士，学识渊博，
说天堂坚定，而地球却在漂浮，
并在他们的脚下快速转动
啊，但随后科幻小说的曙光在19世纪降临，（可以说）始于1818年，当时玛丽·雪莱的《弗兰肯斯坦》首次在伦敦匿名出版。（这个时代的经典科幻迷应该完全阅读Skulls in the Stars；Skyskull博士是这方面的专家。）
到儒勒·凡尔纳的《从地球到月球》（1865年）和赫伯特·乔治·威尔斯的《第一个登上月球的人》出现时，科幻小说已经成为一种成熟的类型，它激发了许多年轻人梦想前往其他世界——最著名的是火箭先驱罗伯特·戈达德和沃纳·冯·布劳恩，他们帮助启动了20世纪的太空计划。
不再仅仅是科学渗透到流行文化中：现在流行文化反过来也在启发科学家。然后电影和电视来了！凡尔纳的小说启发了乔治·梅里埃拍摄了第一部科幻默片《月球旅行记》。
20世纪50年代是廉价B级片科幻小说的黄金时代，随着几十年过去，你甚至会在主流电影中看到对科学突破的狡猾引用。当然，这花了几十年时间，但哈勃发现宇宙正在膨胀，这让伍迪·艾伦的《安妮·霍尔》中的小阿尔维·辛格做了噩梦
如今，科学在电影、电视、书籍、音乐、戏剧、艺术——你能想到的任何地方——无处不在。这对像我这样喜欢在流行文化中找出科学的人来说很方便——或者像吉姆·卡卡利奥斯这样的物理学家，他的书《超级英雄的物理学》是任何经典漫画书爱好者的必读书籍。我自己的书（无耻的广告！），《巴菲宇宙的物理学》，梳理了《吸血鬼猎人巴菲》及其衍生剧《天使》的剧集，以比较和对比韦登世界中的科学与我们自己世界中的科学。
科幻小说中的世界构建完全是为了建立你的世界如何运作的规则；这在艺术上是必不可少的，因为一个没有约束的世界没有冲突，因此也没有故事。这些规则可能会随着时间的推移而演变，并且不可避免地会出现不一致之处，但它们确实存在——即使在巴菲宇宙中也有其自身的魔法热力学。存在成本，必须付出代价的后果，最重要的是，关于如何以及何时可以使用魔法的严格规则。薇洛甚至在第七季的一集中引用了能量守恒，宣称：“魔法在物理学上起作用！”至少，在巴菲宇宙中是这样的。
巴菲宇宙（以及一般的许多流行文化）中充满了我喜欢称之为“发现物理学”的东西：也许不是世界构建方面的核心要素，但仍然提供了“教学时刻”。例如，在艾美奖提名的“寂静”中，绅士们是童话故事中的怪物，他们偷走了所有人的声音，因此当这些生物来外科手术移除他们仍在跳动的心脏时，他们的受害者无法尖叫。这是必要的，因为绅士们对任何噪音都极其敏感。最终，巴菲想出了如何找回自己的声音，并发出了一声响亮、持久和高亢的尖叫，导致怪物的头爆炸，绿色粘液四处飞溅。
声音可以影响令人毛骨悚然的僵尸般的恶魔的头部，因为它是一种机械能。然而，巴菲要让绅士们的头部爆炸并非易事。秘诀是精确调谐的频率，加上持续时间长，以及大量的分贝。每个物体都有一个自然的共振频率，在该频率下它会振动。这就是为什么用湿手指沿着水晶酒杯的边缘摩擦会产生微弱的嗡嗡声。
我们基本上是在谈论受迫振荡共振：如果一个物体有一个特定的自然振动率，并且如果有人输入更多相同共振的能量，物体将振动得非常强烈，以至于会破碎，就像那些旧的Memorex广告中的酒杯一样。
同样，绅士们爆炸的头部必须具有与巴菲的尖叫声的音调完美匹配的共振频率，才能发生这种情况。巴菲的持续尖叫声可能必须至少达到135分贝，才能产生足够的机械振动以使其爆炸。不太可能？当然。但这足以满足情节的需要。
当然，在巴菲宇宙中也有很多令人难堪的错误，就像在几乎任何形式的敢于注入一点科学的流行娱乐中一样。这就是为什么在geekerati中，书呆子式的抱怨如此受欢迎和历史悠久。我和五位物理学博士一起去看了J.J.艾布拉姆斯的《星际迷航》重启版，电影后的书呆子式抱怨达到了奥林匹克规模。他们一致的结论是：“红色物质”不必发生。
有些人赞成这种科幻小说式的含糊其辞，正如托尔网上的史蒂文·帕德尼克的这篇文章中详细描述的那样。我认为帕德尼克在原则上是正确的（科幻小说应该扩展想象力，超越当前的可能性，你不想用冗长的技术解释来拖累你的故事），但在红色物质的具体例子中是错误的，红色物质太荒谬了，以至于它实际上将观众从故事中拉出来——这是任何有自尊的虚构世界创造者都不想做的事情。
为了说明一个在虚构背景下仍然有效的错误，请考虑《外星也疯狂》中的这个场景，其中来访的外星人迪克·所罗门——现在是一位物理学教授——最终证明了他的职业生涯并非完全无聊和无用，当他用物理学让罪犯认罪时
迪克：利用库仑第三定律，我能够证明是他做的。汤米：这跟这有什么关系？
迪克：没什么。我所证明的只是他在绕太阳旋转，但他不知道。这就是物理学的美妙之处，没人能理解它。
莎莉：所以你可以利用你的知识来欺负别人屈服。
迪克：这就是计划。只要美国的教育系统仍然严重不足，我就统治一切！
懂物理学的人无疑发现了问题：编剧们将库仑定律与牛顿万有引力定律混淆了。两者都采用了平方反比定律，无论我们谈论的是围绕原子核运动的电子还是围绕太阳运动的行星，我们仍然在处理具有点电荷和点质量的球形物体。但牛顿定律处理的是非常大的质量，而库仑定律处理的是质量小但电荷大的物体。此外，引力只是吸引力；库仑定律既包含吸引力也包含排斥力。关键是：这个场景仍然有效。当涉及到科学上的错误时，这只是轻罪。
科学应该始终为叙事服务，但当你可以讲述一个精彩的故事并使其相当准确时，总是很棒的。一些最好的例子包括经典电影，如《超时空接触》和《阿波罗13号》——以及对原子弹发明的鲜为人知的描述，《胖子和小男孩》。我最喜欢的场景描绘了一个著名的实验，被称为“挠龙尾”，其中物理学家试图找到不同材料的临界质量点，以确定哪种是引发核链式反应第一阶段的最佳选择。
不用说，这是非常危险的，但曼哈顿计划的科学家有时会偷工减料地采取安全措施——比如移除分隔钚核心的铍球两半的垫片。约翰·库萨克的角色是基于一位名叫路易斯·斯洛廷的物理学家，他是因拙劣的临界实验而丧生的两个人之一。第一个是在1945年8月；当时，恩里科·费米告诉斯洛廷，“继续以你一直以来的方式进行这些实验，你会在一年内死掉。”
费米的担忧成为了现实。几个月后，斯洛廷正在用螺丝刀调整他的实验，这时螺丝刀滑落，铍的两半瞬间合在一起，产生了一阵强烈的硬辐射。《胖子和小男孩》精致地重现了那一刻，甚至标记了事故发生时每个人所站的位置（以便可以计算出每个人接受的不同辐射剂量）并移除了他们身上的所有金属。只有手动分离球体并阻止反应的斯洛廷死了。死得很惨。在九天之内。
迪克·所罗门当前的虚构后裔是《生活大爆炸》中的谢尔顿，目前是美国最受欢迎的情景喜剧，最近一集吸引了惊人的1900万观众（这与有史以来最受欢迎的情景喜剧之一《老友记》相当）。该节目有自己的物理学家作为技术顾问——加州大学洛杉矶分校的大卫·萨尔茨伯格——其编剧们理所当然地为白板上的方程式、海报、书籍和其他道具来自真实的物理系而自豪。
但geekerati永远不会满足；那样有什么乐趣呢？人们经常反对该节目中刻板的角色：社交笨拙、衣着邋遢、渴望无法得到的女人等等。我通常指出这种描述是夸张的，但不一定是百分百错误的（我们都遇到过现实世界中的霍华德·沃洛维茨），而且喜剧靠夸张来蓬勃发展。书呆子式的家伙最终确实得到了女孩（好吧，除了拉杰，他一度抱怨说他从没想过谢尔顿会在他之前找到女朋友）。谢尔顿是粉丝中的性感偶像：他是迄今为止最受欢迎的角色，任何参加每年在圣地亚哥国际动漫展举行的《生活大爆炸》小组讨论的人都可以证明这一点。
在一个经典场景中，谢尔顿使用薛定谔的猫悖论来为佩妮提供关于是否与伦纳德约会并给他们萌芽的浪漫一个机会的建议。（您可以在此处观看片段；禁止嵌入。）不要介意任何人都不应该向谢尔顿寻求爱情建议；他的解释是完全正确的——而且在隐喻意义上也非常好用。就我个人而言，我宁愿选择谢尔顿可爱的书呆子，也不愿选择《未来闪影》中令人尴尬的场景，其中油嘴滑舌的量子物理学家西蒙用薛定谔的猫在火车上搭讪一位年轻女性
讽刺科学家是一种历史悠久的传统：早在1676年，托马斯·沙德韦尔写了一部名为《鉴赏家》的戏剧，剧中有一个笨手笨脚、迂腐的角色，原型是《显微术》的罗伯特·胡克。这幅漫画非常逼真，以至于胡克在看完演出后在一封信中惊呼：“该死的狗。上帝为我伸冤，人们几乎指着我。”
有时，你是否接受一部电影的科学前提取决于你的视角。《时间领主》和我都很喜欢《盗梦空间》，并在一个晚宴上与心理学家卡罗尔·塔夫里斯分享了我们的热情。我们特别欣赏对物理学细节的细致关注，尤其是一个电梯场景，该场景完美地描绘了爱因斯坦的等效原理。看看这个
这是一个很好的例子，说明了如何在“如果……？”的情况下使用物理学原理来探索梦境中规则如何变化（或不变化）。但对于塔夫里斯来说，这个前提本身——最难完成的事情是在别人的头脑中植入一个原创的想法，以至于他们相信这是他们自己的想法（标题中的“盗梦”）——是荒谬的，使得她不可能暂停她的怀疑。“盗梦很容易，”她宣称。
作者身份的问题很重要。这部电影清楚地表明，将一个想法植入别人的头脑中非常简单：告诉别人不要想粉红色的象，很可能粉红色的大象的图像会浮现在脑海中。但他们知道粉红色的象来自外部的建议。塔夫里斯的观点是，同样容易操纵某人，让他们认为粉红色的象是他们自己的想法，并且有很多心理学研究支持她的观点。
最后，有时长期被抛弃的科学思想可以完全循环回来，并重新出现在小说中。还记得天体音乐吗？我们不再坚持托勒密宇宙学，但这个概念仍然在启发科幻小说，就像这部特别的《神秘博士》剧集（由罗伯逊·戴维斯撰写）一样
博士的解释是对非常真实的事物的推断：宇宙中确实存在一种“音乐”，我们可以通过声波化等技术“听到”它——就像这个展示土星环声音的视频一样，它基于卡西尼号宇宙飞船收集的数据。它听起来与《神秘博士》片段中的音效非常相似。
正如诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔切克和贝西·德维恩在《渴望和谐》中观察到的那样：“[天体音乐]的美妙梦想实际上在物理世界中得到了密切实现。然而，这些球体不是行星，而是电子和原子核，它们发出的音乐不是声音，而是光……如果我们的眼睛更完美，我们就会看到原子在歌唱。”