这个中秋，这群人又在谋划如何科学地“炸”掉月球 | 梁文杰
科技
科学
2024-09-16 17:02
北京
![]()
大家好，我是来自中国科学院物理研究所的梁文杰。我平常的工作是专业的科学研究，具体来说，我研究世界上最小的晶体管单元。我今天分享的题目是《幻想一定是不科学的，但是我们都爱她》。那这时候，我要揭开我的另外一个身份。这两年，除了专业科学之外，我也做一些科学传播方面的工作，就是让大家了解我们都在做些什么，把科学的精神传递出去。2021年的时候，郭帆导演和他的团队通过科普作家协会的科学与影视融合专业委员会找到了我们，说：“你们能不能作为科学家，帮我们新电影出出主意、把把关。”我们想这可能是一个促进科学传播的机会，就答应了。但是我们心里也是非常忐忑，万一这个团队不靠谱呢。但是没想到，这次探险竟然成了一段非常好的经历，我们合作很愉快。导演团队非常严谨认真，也非常尊重我们，在电影里边展现了我们的一些想法。但有个问题，就是这些人太严谨了。我们2021年的时候加入直到现在，他们一直在追问我们问题。就在今天（2023年5月5日）上午，我还收到了一个消息，剧组找我说电影制作手册里边有人挑出一点小毛病，你们帮我看一看。真的是不容易。实际上，过去中国电影并没有科学顾问的角色，但世界上很多科幻电影已经有了。比如说《星际穿越》背后，就是一位著名的天体物理学家基普·索恩（Kip Thorne），他的加入不但使这部电影变得非常好看，同时还把黑洞的物理学场景加入到里边来。那么，科幻电影在我们看来一定是不科学的。它的设定是幻想，一个瑰丽的幻想，一个世界的奇观。比如说《流浪地球2》里边的太阳氦闪。太阳的确会氦闪，但那是在50亿年以后。小说和电影把它设定成迫在眉睫的危机，这个问题肯定不科学。但是，如果我们把它设定在现在发生，我们就可以释放很多的创造和想象力。在这个场景下，我们会幻想人类面临这样危机的时候，会有怎样的一些行为，会怎么样努力对抗自己的命运。这个设定是电影当中最重要的一点。伟大的想象力不但是科幻电影需要的，科学里也需要，我们平常也需要想象力来创造新的可能性。那么在科幻电影里面，我们绝对不会去破坏这样的想象力，而是通过科学的设定，把想象力包裹在一个在现实里能好像能存在的框架内。那在这个过程中，我们科学家要做些什么事情呢？我们就把剧里边的一些瑰丽的想象力，一条一条地找科学依据，然后仔细地运算。再告诉剧组这个是对的，有可靠的科学道理的；这个问题是不对的，有些什么办法可以解决。除此之外，我们还会主动地在电影里边加入一些彩蛋，比如说在电影里有巡天望远镜。中国的巡天望远镜预计2023年就会发射上天，在电影里只不过是提前了一年而已。看完电影之后，我们也会上网去看网友的评价。我们发现观众有很热烈的反响，特别对里面的科学设定哪些是对的、哪些是不对的非常较真。有时候甚至说，你们有些问题没有想清楚，会有一些质疑。对这样的质疑，我是非常高兴，也非常欢迎的。因为科学传播不是我说你听，而是我说你想。如果有质疑，就说明你的脑子在动，你的脑子动起来，就会理解现在科学家在从事什么研究，要解决什么关键性的问题。在这里面我举几个例子。电影里边最大的一个奇观就是太空电梯，那太空电梯里的缆绳不会被拉断吗？太空电梯的主意是19世纪末著名科学家齐奥尔科夫斯基提出的。他想到人类离开地球的两个方向，一个是火箭，一个是太空电梯。如果要建造太空电梯，就需要一根缆绳，然后在上端放置一个空间站。这个空间站可能要离地面3.6万公里，甚至在外面还有配重，可能要在9万公里高的一个位置。这里面最大的问题就是缆绳是否结实，所以大家想的一点都没错。那么，我们人类现有的非常强的材料难道不行吗？比如说最硬的钢铁可不可以？不行。为什么呢？当我们的距离从1米变成10米还好办，如果要变成100公里，上万公里，问题就复杂了。比如说一个小孩搭一个20厘米高的积木没问题，但搭个1米，就很厉害了。有没有可能搭个1公里的积木呢？我们所有的材料，实际上在建造的时候相当于像乐高这样一个一个搭建上去的，而从几米变几公里再变成几万公里的时候，量变产生质变，它本身材料的强度就远远不够。科学家计算过，搭建太空电梯需要的缆绳强度是钢铁强度的60倍以上，否则钢缆自身的重量就能把它拉断，更不要说拉住上面的空间站了。所以观众们问得很好，但我希望观众再往前问一个问题。你只要再往前走一步，你就走进了科学的世界。平常我们有没有比钢铁更硬的东西，比如说有什么东西能在钢铁上留下痕迹，金刚石可不可以？实际上，当我们往前想的时候，就有可能找到解决方案。▲ 碳纳米管强度是钢铁的100~200倍，
但密度是钢铁的六分之一
在1991年，人们发现有一种纯碳的纳米材料，它的直径只有1纳米，10-9米这么小的直径，但是它其中所有的化学键都是构成金刚石那个键。在1994年的时候，我加入实验室，在中国研究碳纳米管材料的生长问题。这是我的第一个科学幻想。网上有人说我是“汪淼”，其实我的老师才是“汪淼”，我只不过跟着他一起研究这个材料。这个材料强度是钢铁的100-200倍，而我们刚才说，60倍以上就满足条件。同时，它的密度是钢铁的1/6，还很轻，就非常适合做太空电梯。问题看似解决了，但又没有完全解决。从科学上解决了，但工程上是一个巨大的挑战。这个材料的尺度是10-9米，意味着1米当中有10的9次方个原子。那要是10000公里，36000公里，然后到90000公里呢？ 这里面不能有一个缺陷，这需要巨大的努力。中国科学家在过去的30年当中，把这材料从1微米长到1毫米，从1毫米又长到1米，但距离实际运用还有很大的跨度。但我相信，只要我们继续努力下去，一定有见到它成功的可能。第二个问题就是行星发动机。有很多观众说行星发动机太不切实了，它的推力有可能把地球压垮。另外，行星发动机里面是重核聚变。而核聚变是太阳里边的一个能量反应，地球上有任何材料能够容纳这个反应吗？太阳核心产生核聚变的温度是1500万度，而在地面上要实现核聚变，一定要达到差不多是1亿到3亿度的量级。而烧瓷差不多是要1300-1400摄氏度，这中间差了不知道多少个数量级。没有任何材料能够容纳这一团火，哪怕能够点燃它，你的容器就会毁掉了。所以很多的观众说这个不切实，不可能，这是瞎想。我们再往前想一步，有没有科学家正在从事核聚变的研究，他们是怎么解决这个问题的？难道这个问题只有在科幻电影里才会出现，在现实当中没有吗？不是。实际上现在所有从事核聚变研究的科学家第一个要解决的问题，就是怎么样让炉子容纳1亿度的燃烧，还不把炉子烧塌。在现实中，在科学家的眼里只有有一条路：我们需要把这团火束缚在空中，悬浮在那里，不跟容器接触，就没问题了。大家可能会看到很多科技报道，说中国最近有突破了，这团火能够做到400多秒不会熄灭。这怎么做到的呢？我们都知道，电流在磁铁里会转圈。那弄一个磁铁，然后使发热的这些燃料带上电，在里边不断地转。就像这个图，把它悬浮在一个真空的环境，周围都是磁铁，就有可能容纳这团火。如果要是在磁约束下能够实现核聚变，那将来行星发动机也可以容纳重核聚变。▲ 左：西南环流II装置
右：合肥超导托克马克装置
左边这个发着蓝光的地方就是中国现在正在努力的西南核研院的环流二号常规磁体的磁约束核聚变装置。右边是超导磁体，是我们科学院在合肥的托克马克装置。当然除此之外，我们还有另外一种约束方式——激光的约束。就是用几束激光把这些离子限制在空中。人类在核能利用上不断地发展、前进，解决的实际上就是大家关心的问题。所以大家的想法并没有错，我只不过想邀请大家再进一步地思考一下。我们不但要合理化电影里边的这些场景，还要纠正里边的谬误。这里面最好玩的事情就是如何科学地炸掉月球，这也是电影里边最重要的一个场景奇观。最初剧组想法是用“弹幕”去攻击，就是用高能炮弹在空间站上不断地轰击月球，把它炸碎。我们后来跟剧组交流，说如果要用这种方式的话，我们每一个弹头需要达到光速，并且要上千万个这样的弹头，这实在是不现实的。剧组后来根据我们的想法改了剧情，并为此痛哭流涕。包括美编、编剧他们为了科学合理化进行了大量更改，说差不多1/3的剧情都因为我们的建议改掉了。但是结果是完美的。这里面我们要考虑一个问题，就是炸掉一颗行星我们需要什么样的能量。在过去电影里边，大家经常能看到像《星球大战》一束红色的激光过去，一颗行星就炸了的场景。但是这太不切实际了，很多电影没有交代这个问题。一颗行星之所以能够聚集在一起，最关键的力量是万有引力。我们如果想把这个行星粉碎，最重要的是考虑组成行星的各种物质如何逃离彼此的万有引力。基于这个想法，我们估算了一下，月球可能需要1029焦耳，也就是10万亿亿焦耳的能量。我们又估算了一下人类所有的核弹能产生的能量。其实我们并不知道世界各个大国具体的核弹数目，我们假设一个最大数，但仍然与粉碎月球的能量中间差着9个数量级。如果同时引爆地球上的所有核弹可以提供1020焦耳的能量，而要炸碎月球需要1029焦耳。我们打个比方，在月球上释放所有的核弹就像一阵风吹过山岗一样，完全不可能炸掉月球。那怎么做呢？就需要释放我们的想象力。我们首先认识到：要实现行星级的事件一定要用行星级的能量。那我们就只有一个办法，让行星自己把自己毁掉。如果重核聚变是可能的话，我们有没有可能把地球上所有的核弹当成一个火柴，引燃月球内部的重核聚变反应，让月球自己燃烧爆炸掉？我们提出了这个想法，剧组们非常高兴。但我们同时坏坏地跟他们说，你们第一部里边炸了木星，第二部又要点燃月球，你们就是电影史上的纵火犯。最后，要把所有的能量聚集在一起，才能把月球点燃，也是一个疯狂的想法了。那怎么样才能把人类所有的核弹能量聚集在一起呢？我们想了一个日常生活当中经常会用到，但是大家可能都不注意的技术，就是相位控制阵列。这个技术在5G、WiFi里面都用得很多，但是大家对这个名词很陌生。我们把这个想法告诉郭帆导演，他的第一个反应说：这是什么？然后问了一圈之后，他终于明白了：相当于把这些核弹像春节包饺子时在盖垫上，把饺子排成一圈一圈，这叫相控阵。我们真的是很无语。我希望大家能够理解这个概念。这个概念有个相位，这个相位就相当于月球的相位——月球有新月有满月，那它处于某一个位置上，就是说处于一个月相。一个炸弹爆炸时会出现一个圆形的波，但如果两个炸弹爆炸，空间上某些位置能量会增强，某些位置能量会减弱。如果我们调整这两个爆炸点的不同的时间序的时候，会发现在空间上的增强的位置是可以调整的。如果要是几千个一起爆炸，并调整每一个时序相位，就有可能在空间上任意一点实现能量增强。▲ 能量可以聚焦，不需要全部引燃,但同时性很难达到这是我给剧组画的一幅图。在月球表面放着这些核弹，这些核弹从外圈到里圈不断地引爆的时候，它的能量网聚焦在月球表面300公里之下。我们考虑到所有的能量损失，只聚焦它1/4或者1/10的能量，在30米左右的范围之内有可能实现上亿度的高温。于是我们说解决了，剩下的问题你们剧组去考虑吧。
我们日常生活当中，也会经常用到相位相干和相位控阵，通过调节相位能够使能量和信息朝着固定的方向传输。有的人可能用过降噪耳机，它实际上是把这个概念反过来用，我不需要能量增强而是需要能量减弱。所以相位控制阵列的方式其实是我们经常用到的。最后我要跟大家分享量子计算机，它是电影里边一个很重要的点。550W翻过来就叫MOSS，有了这个550W再加上大数据，就产生了人工智能。这里面最重要的一个问题就是550W量子计算机的运算能力。而在我们现实世界当中，对中国来说，也存在一个重大问题，就是我们怎么解决计算速度的需求越来越快的事情。现在的晶圆是越来越大，晶圆上元件的尺寸是越来越小。这是我们现在技术的一个难点，其实这个难点不光是在技术上，在物理上也是。▲ 左：摩尔定律
右：量子隧穿效应
随着尺寸不断不断地减小，我们会进入到一个几纳米到1纳米的量级上，在这个量级上，所有的信息就就有可能穿过一个势垒直接过去，这叫隧穿。就像崂山道士的穿墙术一样，这是一种量子效应。那平常在晶体管里边，我需要关断电流。但在这个地方，因为它可以隧穿过去，就没法关断。这时候怎么办？我们一定会碰到这样一个门槛。而我在中国科学院的研究方向就是要解决这个问题。如果不能关断的话，我有没有可能利用它的量子效应，自己管理自己，调制这些信息的相位和它的信息读取和存储。比如我现在研究的就是在一个分子尺度上的电流传输。当一个分子小于1纳米的时候，量子效应非常非常显著。这些信号的传输是非常挑剔的，只有你的信息跟它产生共振的时候，它才能过去，否则的话它是关断的。实际上这里面对信息是有一个调整，有一个过滤。这是一个新的概念。除此之外，我们还会发现这时候的信息传输是由一串电子而不是由一个一个电子传输决定的。这些电子“手拉手”的传输就产生了一些特异的性能，比如说增强和减弱的这种震荡效应。这些都是我们正在研究和未来可能对我们生活产生重大影响的一个方面。我听演员宁理，就是电影里马兆的扮演者讲过一件事情。他说：“这个电影之所以能够得到大家的喜欢，是因为我们在日常生活当中看到了很多的科学发现。我们也能登月了，我们也确实在研究量子计算机。”这个时代正在发生急剧变化，而我们所有人也正在经历这样的变化。中国正在一个科技大发展的时代当中，我们才会认可这样的电影。同时，我们也面临一些技术上的挑战，包括人工智能。它有可能是机遇，也有可能是对我们未来的生存方式一种威胁。我们现在处于一个伟大的时代，我们应该去勇敢地去迎接挑战，去拥抱自己的机会，以人类的勇气和人类伟大的想象力，把最终幻想和伟大的科学实践结合在一起，创造我们人类更美好的未来。
文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全与信息化办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。欢迎关注格致论道官网: self.org.cn，微信公众号: SELFtalks，微博: 格致论道。
