『硬核』科幻中的科学

2023-03-22本刊综合

发明与创新 2023年10期

关键词：核聚变外骨骼天体

◆本刊综合

科幻是基于一定的科学基础之上，对未来科学无数种可能的畅想。喷出冲天蓝光的行星发动机、洞悉一切的量子计算机、高耸入云的太空电梯……中国原创科幻电影《流浪地球2》中层出不穷的“硬科技”元素让观众大开眼界。

本期策划将和你一起用科学解码科幻，换个角度赏析电影中的科技元素。

名词解析——科学不“烧脑”

在《流浪地球2》中，你除了被影片中惊人的光影特效折服外，有没有为其背后的科学知识而“烧脑”？看懂这部电影需要了解哪些名词？一起来学习吧！

情景再现1：天体物理学家发现，太阳将在400年内发生氦闪，届时整个太阳系将不再适宜生命存在。

图/图虫创意

名词解释：太阳氦闪

太阳在晚年时，核心的氢逐渐聚变为氦，内核不断收缩，外层不断扩张，使太阳变得又大又红，成为一颗红巨星。氦闪就发生在太阳膨胀为红巨星的时期，它是非常短暂的核聚变热失控现象，主要发生在中低质量恒星的核心。太阳一旦发生氦闪，会在一瞬间释放大量的核聚变能量，该能量辐射到地球，将给地球带来巨大的灾难——海洋沸腾并蒸发，大地被烧成熔岩，人类无法在地表生存，等等。

图1 太阳氦闪对地球的影响示意图（图/中国核电网官网）

知识解读：

氦闪是太阳演化的关键环节，也是地球接受太阳“烤问”的生死时刻。从恒星的形成和演变理论上来看，太阳的确有发生氦闪的可能，以人类科技的发展速度而言，在太阳发生氦闪之前找到解决路径是有可能的。

情景再现2：人类在月球上安装了三台行星发动机，试图利用太阳系大天体的引力将其弹射出去，避免在地球加速时与其相撞。

名词解释：引力弹弓

引力弹弓就是把行星当作“引力助推器”，利用行星的重力场给航天器加速。经过精确计算后，利用天体的引力弹弓效应，在不消耗航天器自身能量的情况下，改变航天器的速度和前进方向，帮助其抵达目的地。

图2 “帕克号”太阳探测器成为首个“接触”太阳的航天器（图/美国航空航天局）

知识解读：

“旅行者1 号”在飞离太阳系前，就曾多次借助引力弹弓效应。“帕克号”太阳探测器也曾7 次借助金星的引力弹弓效应逐渐逼近太阳，成为史上最靠近太阳的航天器。

情景再现3：人类给地球装了上万座行星发动机，这些发动机将依靠重核聚变产生的巨大能量，推动地球“流浪”。

名词解释：核聚变反应

核聚变反应是将两个原子核重新结合，生成一个较重原子核。该过程中会释放巨大的能量。重核聚变是采用硅等元素作为聚变原料，这种聚变首先要克服原子核之间的静电斥力，使它们产生核聚变反应。

图3 全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）（图/新华社刘军喜摄）

知识解读：

国际热核聚变实验堆(ITER)项目是通过模拟太阳的核聚变反应，产生能量并实现可控利用。目前，有中国“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）是国际上唯一具备与ITER 类似加热方式和偏滤器结构的磁约束核聚变实验装置，也是唯一能在百秒量级条件上全面演示和验证ITER 未来400 秒科学研究的实验装置。其多次刷新了运行的世界纪录，进一步证明了核聚变能源的可行性。

专家解析：

当前广泛研究的可控核聚变均采用轻核聚变，其聚变原料氘和氚是氢元素的两个同位素，相较重核聚变而言更容易实现。让核聚变能推动星球旅行可能为时过早，但让其点亮一盏灯大有希望。

——中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所副研究员王腾

情景再现4：洛希极限在电影中被反复提及。无论是在《流浪地球》第一部，地球和木星相距仅剩7 万千米，点燃木星推开地球防止相撞，还是在第二部地球和月球的相撞危机中……

名词解释：洛希极限

洛希极限是一个源于潮汐力作用效果的天文学和天体物理学概念，表示任何一个天体在接近另一个比它大的天体时，会受到强大的潮汐力作用而被“撕碎”，这个较小天体被“撕碎”的最大距离即为洛希极限。

图4 影片中的重聚变行星发动机推动地球“流浪”

知识解读：

一个天体被另一个天体“撕碎”的本质原因在于天体并不是一个质点。也就是说，这个天体上各个部位受到外界的引力大小和方向各不同。因此，不同天体的洛希极限是不一样的，这不仅取决于潮汐力的大小，还取决于感受引力天体自身的强度和疏松程度。

《流浪地球2》中的“硬科技”让观众大开眼界。然而，人类目前的科技水平与科幻作品中硬核科技之间究竟还有多远的距离呢？

解码“硬科技”——科幻变现实

情景再现5：一条条缆绳直通天际，方形轿舱以每小时数百千米的速度向太空攀升。

图5 连接天地的“太空电梯”（图/《流浪地球2》电影预告片截图）

知识解读：

打造太空电梯最关键的是要找到用作电梯缆绳的材料——强度足够大，能在极端条件下服役。目前，由碳原子组成的管状结构纳米材料——碳纳米管是最接近太空电梯缆绳建造要求的材料。

专家解析：

太空电梯代表着人类对材料极限性能的追求。未来，人类将不断突破材料的极限性能，发展全新的材料。

——中国科学技术大学副研究员管庆方

各方已经展开关于太空电梯的初步研究，包括总体设计、动力学以及该系统建成后可执行的任务等，目前仍难以预测太空电梯何时能成为现实。

——国际太空电梯联盟主席、国际宇航科学院院士彼得·斯旺

情景再现6：量子计算机550 系列拥有超强算力和自主意识，让人惊叹。

知识解读：

量子计算机被誉为新一轮科技革命的战略制高点，在海量数据并行运算、模拟分子原子的运动规律、生物、化学材料、金融分析乃至人工智能合成领域发挥重要的作用。目前，国内外量子计算机研发已实现“量子计算优越性”这一目标，正在向实现“专用的量子模拟机”这一目标迈进。然而，距离电影中展示的量子计算机的应用至少还需10～15 年的时间。

图6 “中国造”本源悟源超导量子计算机（图/新华报业网）

情景再现7：各种形态与种类的机器人有条不紊地帮助人类开展工作，其中机械“外骨骼”装甲颇为抢眼。

知识解读：

随着感知计算技术和传感系统发展日益成熟，机器人将逐步向人机融合迈进。未来，“外骨骼”装甲还将发展成硬件客观数据与人体主观信息结合的新型信息输入方式，将人体智能与机器智能融合，从单向输出转为双向互动，形成更高效的人机一体化智能科学系统。

知识解读：

电影中所有参演的“外骨骼”装甲是由上海傲鲨智能科技有限公司提供的“真家伙”，剧组在拍摄完成后，还能用它们搬运道具。“外骨骼”装甲的相关产品也被运用在航空物流、工业生产中。2023 年1 月，我国工业和信息化部等十七部门已明确表示，支持发展“外骨骼”机器人应用于养老服务领域。未来，机械“外骨骼”或将赋能生活的方方面面，人人化身“钢铁侠”指日可待。

情景再现8：“未来航天中心计算机”实现全球复杂计算资源融合与调度，满足数万座发动机协同运作，并支撑“数字生命”计划所需的强大算力。

知识解读：

在电影呈现的多款新型计算机技术中，由曙光首次对外展现的“缸式”浸没液冷计算机技术真实存在。这种技术能使数据中心能源效率（PUE）降至1.05，并支持机架、刀片等多种形态的服务器内嵌，最大程度降低“液冷”技术的普及门槛。浸没式相变液冷技术早在位于长沙的世界计算·长沙智谷——曙光5A 级智算中心得以应用，不仅能有效解决智能计算的功耗和散热问题，在提供同等算力的前提下能节约30%的电能。