『硬核』科幻中的科學(xué)

◆本刊綜合

科幻是基于一定的科學(xué)基礎(chǔ)之上，對(duì)未來(lái)科學(xué)無(wú)數(shù)種可能的暢想。噴出沖天藍(lán)光的行星發(fā)動(dòng)機(jī)、洞悉一切的量子計(jì)算機(jī)、高聳入云的太空電梯……中國(guó)原創(chuàng)科幻電影《流浪地球2》中層出不窮的“硬科技”元素讓觀眾大開眼界。

本期策劃將和你一起用科學(xué)解碼科幻，換個(gè)角度賞析電影中的科技元素。

名詞解析——科學(xué)不“燒腦”

在《流浪地球2》中，你除了被影片中驚人的光影特效折服外，有沒有為其背后的科學(xué)知識(shí)而“燒腦”？看懂這部電影需要了解哪些名詞？一起來(lái)學(xué)習(xí)吧！

情景再現(xiàn)1：天體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)將在400年內(nèi)發(fā)生氦閃，屆時(shí)整個(gè)太陽(yáng)系將不再適宜生命存在。

圖/圖蟲創(chuàng)意

名詞解釋：太陽(yáng)氦閃

太陽(yáng)在晚年時(shí)，核心的氫逐漸聚變?yōu)楹?，?nèi)核不斷收縮，外層不斷擴(kuò)張，使太陽(yáng)變得又大又紅，成為一顆紅巨星。氦閃就發(fā)生在太陽(yáng)膨脹為紅巨星的時(shí)期，它是非常短暫的核聚變熱失控現(xiàn)象，主要發(fā)生在中低質(zhì)量恒星的核心。太陽(yáng)一旦發(fā)生氦閃，會(huì)在一瞬間釋放大量的核聚變能量，該能量輻射到地球，將給地球帶來(lái)巨大的災(zāi)難——海洋沸騰并蒸發(fā)，大地被燒成熔巖，人類無(wú)法在地表生存，等等。

圖1 太陽(yáng)氦閃對(duì)地球的影響示意圖（圖/中國(guó)核電網(wǎng)官網(wǎng)）

知識(shí)解讀：

氦閃是太陽(yáng)演化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是地球接受太陽(yáng)“烤問”的生死時(shí)刻。從恒星的形成和演變理論上來(lái)看，太陽(yáng)的確有發(fā)生氦閃的可能，以人類科技的發(fā)展速度而言，在太陽(yáng)發(fā)生氦閃之前找到解決路徑是有可能的。

情景再現(xiàn)2：人類在月球上安裝了三臺(tái)行星發(fā)動(dòng)機(jī)，試圖利用太陽(yáng)系大天體的引力將其彈射出去，避免在地球加速時(shí)與其相撞。

名詞解釋：引力彈弓

引力彈弓就是把行星當(dāng)作“引力助推器”，利用行星的重力場(chǎng)給航天器加速。經(jīng)過(guò)精確計(jì)算后，利用天體的引力彈弓效應(yīng)，在不消耗航天器自身能量的情況下，改變航天器的速度和前進(jìn)方向，幫助其抵達(dá)目的地。

圖2 “帕克號(hào)”太陽(yáng)探測(cè)器成為首個(gè)“接觸”太陽(yáng)的航天器（圖/美國(guó)航空航天局）

知識(shí)解讀：

“旅行者1 號(hào)”在飛離太陽(yáng)系前，就曾多次借助引力彈弓效應(yīng)?！芭量颂?hào)”太陽(yáng)探測(cè)器也曾7 次借助金星的引力彈弓效應(yīng)逐漸逼近太陽(yáng)，成為史上最靠近太陽(yáng)的航天器。

情景再現(xiàn)3：人類給地球裝了上萬(wàn)座行星發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)將依靠重核聚變產(chǎn)生的巨大能量，推動(dòng)地球“流浪”。

名詞解釋：核聚變反應(yīng)

核聚變反應(yīng)是將兩個(gè)原子核重新結(jié)合，生成一個(gè)較重原子核。該過(guò)程中會(huì)釋放巨大的能量。重核聚變是采用硅等元素作為聚變?cè)?，這種聚變首先要克服原子核之間的靜電斥力，使它們產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。

圖3 全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）（圖/新華社 劉軍喜 攝）

知識(shí)解讀：

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)項(xiàng)目是通過(guò)模擬太陽(yáng)的核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生能量并實(shí)現(xiàn)可控利用。目前，有中國(guó)“人造太陽(yáng)”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）是國(guó)際上唯一具備與ITER 類似加熱方式和偏濾器結(jié)構(gòu)的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，也是唯一能在百秒量級(jí)條件上全面演示和驗(yàn)證ITER 未來(lái)400 秒科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)裝置。其多次刷新了運(yùn)行的世界紀(jì)錄，進(jìn)一步證明了核聚變能源的可行性。

專家解析：

當(dāng)前廣泛研究的可控核聚變均采用輕核聚變，其聚變?cè)想碗笆菤湓氐膬蓚€(gè)同位素，相較重核聚變而言更容易實(shí)現(xiàn)。讓核聚變能推動(dòng)星球旅行可能為時(shí)過(guò)早，但讓其點(diǎn)亮一盞燈大有希望。

——中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所副研究員 王騰

情景再現(xiàn)4：洛希極限在電影中被反復(fù)提及。無(wú)論是在《流浪地球》第一部，地球和木星相距僅剩7 萬(wàn)千米，點(diǎn)燃木星推開地球防止相撞，還是在第二部地球和月球的相撞危機(jī)中……

名詞解釋：洛希極限

洛希極限是一個(gè)源于潮汐力作用效果的天文學(xué)和天體物理學(xué)概念，表示任何一個(gè)天體在接近另一個(gè)比它大的天體時(shí)，會(huì)受到強(qiáng)大的潮汐力作用而被“撕碎”，這個(gè)較小天體被“撕碎”的最大距離即為洛希極限。

圖4 影片中的重聚變行星發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)地球“流浪”

知識(shí)解讀：

一個(gè)天體被另一個(gè)天體“撕碎”的本質(zhì)原因在于天體并不是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。也就是說(shuō)，這個(gè)天體上各個(gè)部位受到外界的引力大小和方向各不同。因此，不同天體的洛希極限是不一樣的，這不僅取決于潮汐力的大小，還取決于感受引力天體自身的強(qiáng)度和疏松程度。

《流浪地球2》中的“硬科技”讓觀眾大開眼界。然而，人類目前的科技水平與科幻作品中硬核科技之間究竟還有多遠(yuǎn)的距離呢？

解碼“硬科技”——科幻變現(xiàn)實(shí)

情景再現(xiàn)5：一條條纜繩直通天際，方形轎艙以每小時(shí)數(shù)百千米的速度向太空攀升。

圖5 連接天地的“太空電梯”（圖/《流浪地球2》電影預(yù)告片截圖）

知識(shí)解讀：

打造太空電梯最關(guān)鍵的是要找到用作電梯纜繩的材料——強(qiáng)度足夠大，能在極端條件下服役。目前，由碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)納米材料——碳納米管是最接近太空電梯纜繩建造要求的材料。

專家解析：

太空電梯代表著人類對(duì)材料極限性能的追求。未來(lái)，人類將不斷突破材料的極限性能，發(fā)展全新的材料。

——中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員 管慶方

各方已經(jīng)展開關(guān)于太空電梯的初步研究，包括總體設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)以及該系統(tǒng)建成后可執(zhí)行的任務(wù)等，目前仍難以預(yù)測(cè)太空電梯何時(shí)能成為現(xiàn)實(shí)。

——國(guó)際太空電梯聯(lián)盟主席、國(guó)際宇航科學(xué)院院士 彼得·斯旺

情景再現(xiàn)6：量子計(jì)算機(jī)550 系列擁有超強(qiáng)算力和自主意識(shí)，讓人驚嘆。

知識(shí)解讀：

量子計(jì)算機(jī)被譽(yù)為新一輪科技革命的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，在海量數(shù)據(jù)并行運(yùn)算、模擬分子原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、生物、化學(xué)材料、金融分析乃至人工智能合成領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。目前，國(guó)內(nèi)外量子計(jì)算機(jī)研發(fā)已實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”這一目標(biāo)，正在向?qū)崿F(xiàn)“專用的量子模擬機(jī)”這一目標(biāo)邁進(jìn)。然而，距離電影中展示的量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用至少還需10～15 年的時(shí)間。

圖6 “中國(guó)造”本源悟源超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)（圖/新華報(bào)業(yè)網(wǎng)）

情景再現(xiàn)7：各種形態(tài)與種類的機(jī)器人有條不紊地幫助人類開展工作，其中機(jī)械“外骨骼”裝甲頗為搶眼。

知識(shí)解讀：

隨著感知計(jì)算技術(shù)和傳感系統(tǒng)發(fā)展日益成熟，機(jī)器人將逐步向人機(jī)融合邁進(jìn)。未來(lái)，“外骨骼”裝甲還將發(fā)展成硬件客觀數(shù)據(jù)與人體主觀信息結(jié)合的新型信息輸入方式，將人體智能與機(jī)器智能融合，從單向輸出轉(zhuǎn)為雙向互動(dòng)，形成更高效的人機(jī)一體化智能科學(xué)系統(tǒng)。

知識(shí)解讀：

電影中所有參演的“外骨骼”裝甲是由上海傲鯊智能科技有限公司提供的“真家伙”，劇組在拍攝完成后，還能用它們搬運(yùn)道具。“外骨骼”裝甲的相關(guān)產(chǎn)品也被運(yùn)用在航空物流、工業(yè)生產(chǎn)中。2023 年1 月，我國(guó)工業(yè)和信息化部等十七部門已明確表示，支持發(fā)展“外骨骼”機(jī)器人應(yīng)用于養(yǎng)老服務(wù)領(lǐng)域。未來(lái)，機(jī)械“外骨骼”或?qū)①x能生活的方方面面，人人化身“鋼鐵俠”指日可待。

情景再現(xiàn)8：“未來(lái)航天中心計(jì)算機(jī)”實(shí)現(xiàn)全球復(fù)雜計(jì)算資源融合與調(diào)度，滿足數(shù)萬(wàn)座發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同運(yùn)作，并支撐“數(shù)字生命”計(jì)劃所需的強(qiáng)大算力。

知識(shí)解讀：

在電影呈現(xiàn)的多款新型計(jì)算機(jī)技術(shù)中，由曙光首次對(duì)外展現(xiàn)的“缸式”浸沒液冷計(jì)算機(jī)技術(shù)真實(shí)存在。這種技術(shù)能使數(shù)據(jù)中心能源效率（PUE）降至1.05，并支持機(jī)架、刀片等多種形態(tài)的服務(wù)器內(nèi)嵌，最大程度降低“液冷”技術(shù)的普及門檻。浸沒式相變液冷技術(shù)早在位于長(zhǎng)沙的世界計(jì)算·長(zhǎng)沙智谷——曙光5A 級(jí)智算中心得以應(yīng)用，不僅能有效解決智能計(jì)算的功耗和散熱問題，在提供同等算力的前提下能節(jié)約30%的電能。

圖7 “缸式”浸沒液冷計(jì)算機(jī)技術(shù)（圖/長(zhǎng)沙晚報(bào)社官方賬號(hào)）

【本文由《發(fā)明與創(chuàng)新》科普專家團(tuán)專家、中國(guó)石油大學(xué)（北京）副教授周廣剛審核把關(guān)】