书城自然科学科技探秘
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第24章 现代科技发展探索(3)

在《侏罗纪公园》中有这样一组镜头:一群恐龙(电脑特技人员在电脑屏幕上制作的数字恐龙)在广袤无垠的草原(取景自非洲草原)上捕猎。电脑特技人员把非洲草原的照片先输入电脑,同时将恐龙的形象嵌入真实的照片内,然后再模拟2架照相机的多次成像过程,把照片上仅有的一头恐龙变成10多头。然后,绘画专家再将恐龙每1秒钟之内的动作分解为24幅连续变化的静止画面,将每幅画面按照上述过程再制成电影胶片。经放映机放映后,观众就能欣赏到银幕上恐龙捕猎的奇幻场景了。

电脑还可以“制造”除恐龙外的其他动物。比如现实中肯定不存在美国科幻大片《金刚》中那个巨大的黑猩猩,这个庞然大物以前要靠模型来完成表演,而现在运用电脑程序就可以将它制造出来。在魔幻片《纳尼亚传奇:狮子、女巫和魔柜》中,一些现实生活中不存在的魔兽,例如影片中的独角兽、半人半羊战士等,都可以被数码三维动画技术逼真地创造出。

电脑特技还可以无中生有。功夫片巨星李小龙的儿子李国豪在拍摄惊悚片《乌鸦》时,死于道具手枪走火亡。这时影片还只拍了一半,在征得李国豪家属同意后,公司用激光“解剖”了他的尸体让他在银幕上“活”了过来。这部影片也因此获得了相当可观的票房收入。在引起轰动的影片《阿甘正传》中,当代影星汤姆·汉克斯竟然与已故的美国前总统肯尼迪和尼克松握手、拥抱,这是以当时的记录片为原材料“偷天换日”,通过电脑加入到影片中的。

在电影视觉效果方面,电脑还可以处理图像,改变原有影像的颜色、饱和度及亮度等。比如在魔幻片《地狱神探》中,整体色彩非常浓重,对比度很强。虽然片中有大量昏暗的场景,但是画面层次感在电脑特技的配合下依然突出。

此外,电脑还可以去掉图片中一些不需要的内容,比如哈利·波特脸上的小痘痘:几年前,几个小演员拍摄“哈利·波特”系列影片第一部《哈利·波特与魔法石》的时候,不过是十一二岁的童星。几年过去后,小演员们步入了青春期。在拍片过程中,他们的青春痘不合时宜地集体爆发了。这些“小魔法师们”对自己脸上的青春痘束手无策。化妆师试图覆盖上厚厚的粉底,但这样却影响了拍摄的画面效果。于是,制片人和导演只好高薪聘请了一名电脑特技高手,为小演员们逐帧画面地“去痘”,才使得小演员们在屏幕上显得完美无暇。

总之,影片因为电脑特技的出现和运用增加了不少新鲜元素。观众总是为其其逼真的画面、超凡的想象大为惊叹。但也有人对此提出疑虑:既然影片中的道具、场景,乃至演员随着计算机技术的高速发展都可以进行虚拟,假以时日,影坛将会受到巨大冲击,这样的结局对于人类文明来说,到底是福还是祸呢?

延伸阅读——揭秘数字电影

作为一种高科技发展的产物,数字电影诞生于20世纪80年代。伴随着计算机技术的飞速发展和普及,许多传统电影制作中做不到的镜头就借助电脑就可以完成,或者是运用电脑技术使影片变得更加完美,于是,数字技术就被引入了传统电影中。

从全球角度来看,经过初期阶段的探索,数字电影技术已经很成熟,创作人员已经用数字特技与传统摄制、传统特技融为一体的表现手法代替了过去单纯的运用数字特技。在很多国家,特别是美国,一大批既极富艺术品位又掌握现代数字技术的创作人员涌现出来,也创作出一大批的视听效果极佳的影片。

数字电影的制作、传输和放映是通过数字方式(即“0”和“1”方式)完成的,是指以数字技术和设备摄制、制作存储,将数字信号还原成符合电影技术标准,并通过卫星、光纤、磁盘、光盘等物理媒体传送的影像与声音,并且在银幕上放映的影视作品。

现在的数字电影有三种制作方式:一种是计算机生成;再是胶片摄影机;还有用高清摄像机拍摄。从拍摄方式的效果看,前两种方式拍摄的图像质量要远远的插于用高清晰摄像机拍摄的图像质量。

数字电影不仅能确保影片永远光亮如新,确保画面没有任何抖动和闪烁,而且还能避免传统电影中出现的胶片老化、退色等现象,从而使观众再也不受画面的划痕磨损现象的困扰。另外,数字电影节目的发行由于不再需要洗映大量的胶片,不但节约发行成本而且有利于环境保护。以数字方式传输得节目,在整个传输过程中都不会出现质量损失。可以这么说,,无论多少家数字影院,也不管它位于地球的什么位置,数字电影信号一旦发出,可以使不同地区的观众同时欣赏到同一个高质量的数字节目。

在电影史上,迪斯尼的《玩具总动员》是第一部全3D动画长片。整部电影长77分钟,全电脑制作的3D镜头一共有1561个,耗时4年,动用了110个工作人员,成本为3千万美金。1999年5月,首批数字电影院在美国出现,首部无胶片数字电影《玩具总动员续集》也在迪斯尼公司诞生。

展望燃料电池的未来

燃料电池,就是一种把燃料的化学能直接转换成电能的装置。当燃料和空气被分别送入燃料电池时,电能就会产生出来。与传统电池作对比,燃料电池更加干净、效率更高,而且无噪音,还不需要充电。燃料电池类似于内燃机,需要用燃料作为能源,可以用氢当作燃料,也可以添加一个氢变换器,直接用甲醇、天然气、甚至汽油、柴油、煤等作燃料。由于电能是燃料电池直接把燃料的化学能转变成的,因此没有内燃机的燃烧过程、相关的传动部件以及造成的污染,而且能源效率高达80%(电能加热能)。

近几年来,一次性能源逐渐匮乏,公众对环境保护的关注度日益提高,开发利用新的清洁再生能源呼声也越来越高,而燃料电池就成为再生新能源中的代表了。上世纪90年代,美国戴姆勒一克莱斯勒公司的甲醇改质型燃料电池汽车从旧金山出发,成功横穿了北美大陆,16天后平安抵达华盛顿特区。这是燃料电池汽车首次成功横穿北美大陆,行驶距离为5250千米,最高时速达到145千米。

燃料电池的性能

实际上,燃料电池早就不是什么新鲜的玩意了。早在1839年,英国人W.格罗夫就提出了氢和氧反应可以发电的原理,这就是最早的氢-氧燃料电池。燃料电池属于一种化学电池,它将氢氧发生化学反应时释出的能量直接变换为电能。从这一点看,它与其他化学电池如锰干电池、铅蓄电池等非常相似。但是在工作时,它需要被连续地供给活物质(起反应的物质)——燃料和氧化剂,这又不同于其他普通化学电池。它之所以被称为燃料电池,是因为它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出的。燃料电池主要由燃料电池电堆、燃料供给系统、稳压整流系统及系统状态监控系统3个主要部分组成。

燃料电池由正极、负极和夹在正负极中间的电解质膜组成,是利用水的电解逆反应的“发电机”,电解质膜从开始时的利用电解质渗入多孔的板形成正发展为现在直接使用固体的电解质,即质子交换膜来形成。燃料电池工作时,需要外界向负极供给燃料(氢),向正极供给氧化剂(空气)。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子会进入电解液中,而电子则沿外部电路移向正极,用电的负载就接在外部电路中。在正极上,空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水,这也正是水的电解反应的逆过程。利用这个原理,燃料电池就可以在工作时源源不断地向外部输电了,所以它也被称为一种“发电机”。

反应过程中不涉及到燃烧是这种装置的最大特点,能量转换率高达60%~80%,在实际使用效率方面则是普通内燃机的2~3倍。另外,它还具有许多优点,比如:燃料多样化、排气干净、噪音低、对环境污染小、可靠性及维修性好等。

对燃料电池的使用

由于航天和国防的需要,20世纪60年代初,逐渐开发了液氢和液氧的小型燃料电池,并应用于空间飞行和潜水艇。如今,因为燃料电池的优点诸多,它不仅被用于国防事业,还被用于各种高新科技的产品当中。

在研究可携式燃料电池方面,日本取得了不错的成果,至今已有20多种产品问世。他们推出的笔记本电脑使用的燃料电池,工作时间可达20小时以上,是锂电池使用时间的3~4倍。而日本最大的手机制造商——NEC公司,也已研制成功使用甲醇和纳米技术的燃料电池。用户只要将这种电池放置到手机当中,那么在一个月内都无需对手机进行充电。

燃料电池的缺点及不断改进

由于目前燃料电池的成本太高,所以还没有实现商业化。例如,现在制造一辆燃料电池车的花费大约是普通内燃机汽车成本的100倍。就算那些小批量生产的车型,所花费的成本也是普通汽车的10倍左右。科学家们针对这些问题,一边努力地寻找解决的方法,一边继续研究可替代的更廉价的反应物质。

美国科学家在2004年声称他们开发出了一种高效能的微生物燃料电池,它们能使细菌从有机废水中产生大量氢(氢产率是传统发酵过程的4倍)。这种微生物燃料电池在作为清洁能源产生氢的同时还可以净化有机废水。

目前,在处理有机废水的发酵过程中,细菌只能不完全地分解废水中所含有机物,反应只能产生少量氢,细菌无法继续反应的阶段被称为“发酵障碍”。但是,如果在反应中人为地给细菌加上0.25伏的电“刺激”,那么就可以克服“发酵障碍”这一过程了,从而使细菌将反应进行到底。而在细菌分解有机物时,将电子传送到电池的阳极,同时将质子传送到电池阴极,用导线在电池之外将两个电极连接起来,质子和电子结合就可以产生氢,反应的最终产物还有水和二氧化碳。

不过,目前这种方法的推广和寿命问题还在科学家的考察当中。也许燃料电池在未来的十几年后,将不再仅仅存在于实验室和研究中心,而是进入人类的日常生活当中。当然,我们也万分期待这种清洁再生的能源时代早日到来。

新知博览——金字塔能

金字塔能是法国人鲍维斯发现的。20世纪30年代的下半叶,鲍维斯在胡夫大金字塔参观游览时,发现有一只垃圾桶位于塔高1/3处一个叫做“王室”的厅堂内。尽管“王室”的温度相当高,可堆放在桶内的有机物质(如猫狗之类的小动物尸体),竟然很长时间以来没有腐烂变质,反而脱水和木乃伊化了。鲍维斯于是就突发奇想,回去后动手做了一个按比例缩小的金字塔形构造物。作为一种简单的几何图形,金字塔模型的制作和试验都很简便。据介绍,可采取底边长12厘米,棱长11.4厘米,高8厘米或底边9厘米,棱长8.55厘米,高6厘米这样两种比例。模型的大小可以根据被试验物情况,从8厘米至2.3米高。试验时一定要对准南北方向,不要把模型靠近墙壁、金属物和电器旁。鲍维斯将死猫放在金字塔形构造物1/3高处的平台上,结果死猫同样没有烂,而是木乃伊化了。在用其他有机物质做同样试验后得到的了仍然是相同的结果。

此后,许多人开始对此进行实验研究,实验结果证明,在金字塔的该位置还能保存食物、剃刀刀片等许多东西。由此,人们估计有在金字塔形构造物内有一种“金字塔能”,这里汇集了来自各个方向的微波,使它们谐振倍增。

在进一步研究之后,鲍维斯提出了一个平面金字塔的概念,并设计了一个圆锥体的“费拉纳根实验性感受器”。实验证明,这种圆锥体能够和金字塔形构造物一样产生同样现象和效果。然而,这些只能说是对“金字塔能”的一种解释。至于“金字塔能”的奥秘,还有待于进一步研讨。

航天飞机带来的成就

作为世界行航天史上的一个重要里程碑,航天飞机的发明实现了人类进入太空的梦想。航天飞机是集火箭、卫星和飞机技术特点于一身,既能像火箭那样可以垂直发射进入空间轨道,又能像卫星那样在太空轨道中飞行,还能像飞机一样再入大气层滑翔着陆。可以说,航天飞机是一种新型、多功能的航天飞行器。

航天飞机的结构及性能

航天飞机是一种载人航天器,垂直起飞、水平降落,以火箭发动机为动力发射到太空,并能在轨道上运行,还可以往返于地球表面和近地轨道之间,可部分重复使用。

航天飞机主要由三大部分组成:轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱。固体燃料助推火箭共两枚,它们与轨道器的三台主发动机发射时同时点火。当航天飞机上升到50千米高空时,两枚助推火箭就会停止工作并与轨道器分离,回收后经过修理可重复使用20次。外储箱内部装有供轨道器主发动机使用的推进剂,是一个巨大的壳体。主发动机在航天飞机进入地球轨道之前会熄火,外储箱与轨道器分离,从而进入大气层烧毁,所以它也是航天飞机组件中唯一不能回收的部分。

航天飞机载人的部分是轨道器。它具有宽大的机舱,并可以根据航天任务的需要分成若干个“房间”。有一个可容纳大型设备的大的货舱。轨道器中可以乘载3名如指令长或机长、驾驶员、任务专家等职业航天员和4名非职业航天员。舱内的大气为氮氧混合气体。航天飞机在太空轨道完成飞行任务后,轨道器会下降返航,如同一架滑翔机一样,在预定的跑道上水平着陆。轨道器一般可重复用100次左右。

航天飞机作为往返于地球与外层空间的交通工具,结合了飞机与航天器的特性,外形像飞机,又像有翅膀的太空船。航天飞机的翼在回到地球时,会提供空气煞车作用,以及在降跑道时提供升力。航天飞机升入太空时,与其他单次使用的载具一样,是用火箭动力垂直升入。航天飞机因为机翼的关系酬载比例较低。

航天飞机的出现及发展

美国宇航局在1969年4月提出建造一种可重复使用的航天运载工具的计划。1972年1月,美国正式在计划中列入航天飞机空间运输系统的研制,确定了航天飞机的设计方案,即由可回收重复使用的固体火箭助推器、不回收的两个外挂燃料贮箱和可多次使用的轨道器3部分组成。

1977年2月,经过5年时间,美国研制出了一架创业号航天飞机轨道器,波音747飞机驮着它进行了机载试验。1977年6月18日,首次载人用飞机背上天空试飞,参加试飞的是宇航员海斯(C·F·Haise)和富勒顿(G·Fullerton)两人。8月12日,载人在飞机上飞行试验圆满完成。又过了4年,第一架载人航天飞机终于出现在太空,从而成为航天技术发展史上的又一个里程碑。