『硬核』科幻中的科學

◆本刊綜合

科幻是基于一定的科學基礎之上，對未來科學無數種可能的暢想。噴出沖天藍光的行星發動機、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解碼科幻，換個角度賞析電影中的科技元素。

名詞解析——科學不“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知識而“燒腦”？看懂這部電影需要了解哪些名詞？一起來學習吧！

情景再現1：天體物理學家發現，太陽將在400年內發生氦閃，屆時整個太陽系將不再適宜生命存在。

圖/圖蟲創意

名詞解釋：太陽氦閃

太陽在晚年時，核心的氫逐漸聚變為氦，內核不斷收縮，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象，主要發生在中低質量恒星的核心。太陽一旦發生氦閃，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難——海洋沸騰并蒸發，大地被燒成熔巖，人類無法在地表生存，等等。

圖1 太陽氦閃對地球的影響示意圖（圖/中國核電網官網）

知識解讀：

氦閃是太陽演化的關鍵環節，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，太陽的確有發生氦閃的可能，以人類科技的發展速度而言，在太陽發生氦閃之前找到解決路徑是有可能的。

情景再現2：人類在月球上安裝了三臺行星發動機，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作“引力助推器”，利用行星的重力場給航天器加速。經過精確計算后，利用天體的引力彈弓效應，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，幫助其抵達目的地。

圖2 “帕克號”太陽探測器成為首個“接觸”太陽的航天器（圖/美國航空航天局）

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。“帕克號”太陽探測器也曾7 次借助金星的引力彈弓效應逐漸逼近太陽，成為史上最靠近太陽的航天器。

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

名詞解釋：核聚變反應

核聚變反應是將兩個原子核重新結合，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，使它們產生核聚變反應。

圖3 全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）（圖/新華社 劉軍喜 攝）

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，產生能量并實現可控利用。目前，有中國“人造太陽”之稱的全超導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構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 秒科學研究的實驗裝置。其多次刷新了運行的世界紀錄，進一步證明了核聚變能源的可行性。

專家解析：

當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。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。

——中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所副研究員 王騰

情景再現4：洛希極限在電影中被反復提及。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和天體物理學概念，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。

圖4 影片中的重聚變行星發動機推動地球“流浪”

知識解讀：

一個天體被另一個天體“撕碎”的本質原因在于天體并不是一個質點。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。

《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的距離呢？

解碼“硬科技”——科幻變現實

情景再現5：一條條纜繩直通天際，方形轎艙以每小時數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》電影預告片截圖）

知識解讀：

打造太空電梯最關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構納米材料——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，發展全新的材料。

——中國科學技術大學副研究員 管慶方

各方已經展開關于太空電梯的初步研究，包括總體設計、動力學以及該系統建成后可執行的任務等，目前仍難以預測太空電梯何時能成為現實。

——國際太空電梯聯盟主席、國際宇航科學院院士 彼得·斯旺

情景再現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略制高點，在海量數據并行運算、模擬分子原子的運動規律、生物、化學材料、金融分析乃至人工智能合成領域發揮重要的作用。目前，國內外量子計算機研發已實現“量子計算優越性”這一目標，正在向實現“專用的量子模擬機”這一目標邁進。然而，距離電影中展示的量子計算機的應用至少還需10～15 年的時間。

圖6 “中國造”本源悟源超導量子計算機（圖/新華報業網）

情景再現7：各種形態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：

隨著感知計算技術和傳感系統發展日益成熟，機器人將逐步向人機融合邁進。未來，“外骨骼”裝甲還將發展成硬件客觀數據與人體主觀信息結合的新型信息輸入方式，將人體智能與機器智能融合，從單向輸出轉為雙向互動，形成更高效的人機一體化智能科學系統。

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。“外骨骼”裝甲的相關產品也被運用在航空物流、工業生產中。2023 年1 月，我國工業和信息化部等十七部門已明確表示，支持發展“外骨骼”機器人應用于養老服務領域。未來，機械“外骨骼”或將賦能生活的方方面面，人人化身“鋼鐵俠”指日可待。

情景再現8：“未來航天中心計算機”實現全球復雜計算資源融合與調度，滿足數萬座發動機協同運作，并支撐“數字生命”計劃所需的強大算力。

知識解讀：

在電影呈現的多款新型計算機技術中，由曙光首次對外展現的“缸式”浸沒液冷計算機技術真實存在。這種技術能使數據中心能源效率（PUE）降至1.05，并支持機架、刀片等多種形態的服務器內嵌，最大程度降低“液冷”技術的普及門檻。浸沒式相變液冷技術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約30%的電能。

圖7 “缸式”浸沒液冷計算機技術（圖/長沙晚報社官方賬號）

【本文由《發明與創新》科普專家團專家、中國石油大學（北京）副教授周廣剛審核把關】