“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，對未來科學(xué)無數(shù)種可能的暢想。噴出沖天藍(lán)光的行星發(fā)動機、洞悉一切的量子計算機、高聳入云的太空電梯……中國原創(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)知識而“燒腦”？看懂這部電影需要了解哪些名詞？一起來學(xué)習(xí)吧！

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

名詞解釋：太陽氦閃

太陽在晚年時，核心的氫逐漸聚變?yōu)楹?，?nèi)核不斷收縮，外層不斷擴張，使太陽變得又大又紅，成為一顆紅巨星。氦閃就發(fā)生在太陽膨脹為紅巨星的時期，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。太陽一旦發(fā)生氦閃，會在一瞬間釋放大量的核聚變能量，該能量輻射到地球，將給地球帶來巨大的災(zāi)難——海洋沸騰并蒸發(fā)，大地被燒成熔巖，人類無法在地表生存，等等。

知識解讀：

氦閃是太陽演化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是地球接受太陽“烤問”的生死時刻。從恒星的形成和演變理論上來看，太陽的確有發(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行星發(fā)動機，試圖利用太陽系大天體的引力將其彈射出去，避免在地球加速時與其相撞。

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”，利用行星的重力場給航天器加速。經(jīng)過精確計算后，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方向，幫助其抵達(dá)目的地。

知識解讀：

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

情景再現(xiàn)3：人類給地球裝了上萬座行星發(fā)動機，這些發(fā)動機將依靠重核聚變產(chǎn)生的巨大能量，推動地球“流浪”。

名詞解釋：核聚變反應(yīng)

核聚變反應(yīng)是將兩個原子核重新結(jié)合，生成一個較重原子核。該過程中會釋放巨大的能量。重核聚變是采用硅等元素作為聚變原料，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)。

知識解讀：

國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目是通過模擬太陽的核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生能量并實現(xiàn)可控利用。目前，有中國“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）是國際上唯一具備與ITER類似加熱方式和偏濾器結(jié)構(gòu)的磁約束核聚變實驗裝置，也是唯一能在百秒量級條件上全面演示和驗證ITER未來400秒科學(xué)研究的實驗裝置。其多次刷新了運行的世界紀(jì)錄，進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，其聚變原料氘和氚是氫元素的兩個同位素，相較重核聚變而言更容易實現(xiàn)。讓核聚變能推動星球旅行可能為時過早，但讓其點亮一盞燈大有希望。

——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。無論是在《流浪地球》第一部，地球和木星相距僅剩7萬千米，點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中……

名詞解釋：洛希極限

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

知識解讀：

一個天體被另一個天體“撕碎”的本質(zhì)原因在于天體并不是一個質(zhì)點。也就是說，這個天體上各個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度和疏松程度。

解碼“硬科技”——科幻變現(xiàn)實

《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？

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

知識解讀：

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材料極限性能的追求。未來，人類將不斷突破材料的極限性能，發(fā)展全新的材料。

——中國科學(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、動力學(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)測太空電梯何時能成為現(xiàn)實。

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

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

知識解讀：

量子計算機被譽為新一輪科技革命的戰(zhàn)略制高點，在海量數(shù)據(jù)并行運算、模擬分子原子的運動規(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，國內(nèi)外量子計算機研發(fā)已實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”這一目標(biāo)，正在向?qū)崿F(xiàn)“專用的量子模擬機”這一目標(biāo)邁進。然而，距離電影中展示的量子計算機的應(yīng)用至少還需10～15年的時間。

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

知識解讀：

隨著感知計算技術(shù)和傳感系統(tǒng)發(fā)展日益成熟，機器人將逐步向人機融合邁進。未來，“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，將人體智能與機器智能融合，從單向輸出轉(zhuǎn)為雙向互動，形成更高效的人機一體化智能科學(xué)系統(tǒng)。

知識解讀：

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，還能用它們搬運道具?！巴夤趋馈毖b甲的相關(guān)產(chǎn)品也被運用在航空物流、工業(yè)生產(chǎn)中。2023年1月，我國工業(yè)和信息化部等十七部門已明確表示，支持發(fā)展“外骨骼”機器人應(yīng)用于養(yǎng)老服務(wù)領(lǐng)域。未來，機械“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：“未來航天中心計算機”實現(xiàn)全球復(fù)雜計算資源融合與調(diào)度，滿足數(shù)萬座發(fā)動機協(xié)同運作，并支撐“數(shù)字生命”計劃所需的強大算力。

知識解讀：

在電影呈現(xiàn)的多款新型計算機技術(shù)中，由曙光首次對外展現(xiàn)的“缸式”浸沒液冷計算機技術(shù)真實存在。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)早在位于長沙的世界計算·長沙智谷——曙光5A級智算中心得以應(yīng)用，不僅能有效解決智能計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。

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

（欄目編輯? 方郁芝）