《流浪地球2》中的超級(jí)科技，你真的看懂了嗎

劉玉柱

上映10 天，28 億元！這是電影《流浪地球2》在2023 年1 月令人震驚的票房數(shù)據(jù)。作為最硬核的國(guó)產(chǎn)科幻影視巨作之一，它融合了劉慈欣令人驚嘆的故事設(shè)定、電影制作的震撼特效和影視工作者的心血，終于在兔年春節(jié)呈現(xiàn)在了全國(guó)人民的眼前！

《流浪地球2》講述了在地球陷入太陽(yáng)膨脹危機(jī)的背景下，全球各國(guó)同心協(xié)力，通過(guò)在地球表面安裝上萬(wàn)臺(tái)行星發(fā)動(dòng)機(jī)，從而將地球推至新家園的故事。最令觀眾嘆為觀止的，除了曲折反轉(zhuǎn)的劇情，必定是劇中的種種先進(jìn)科技。那么，我們就一起來(lái)揭秘《流浪地球2》中出現(xiàn)的高科技！

通向蒼穹外的“天階”——太空電梯

一座巨型建筑物筆直地伸向云霄，在火箭推進(jìn)器和鋼纜的加持下，一臺(tái)臺(tái)電梯轎廂騰空而起，以接近10 倍的重力加速度沖向太空！這是影片前半部分太空電梯的超燃畫(huà)面。那么，究竟什么是太空電梯？它的原理又是什么呢？

我們都知道，衛(wèi)星或飛船需要用火箭以大于第一宇宙速度的條件發(fā)射升空，克服地球的引力，從而到達(dá)外太空的軌道。然而，這種方式效率低下，不適用于外太空與地球之間頻繁的往來(lái)，但太空電梯的構(gòu)想便可以很大程度地解決這一問(wèn)題。

事實(shí)上，太空電梯的概念也是由著名的火箭科學(xué)先驅(qū)者齊奧爾科夫斯基提出的。其基本結(jié)構(gòu)是在地球靜止軌道上建立超大型的空間站，并在它與地表之間建立超長(zhǎng)的鋼纜與軌道，太空電梯轎廂便在其中上下運(yùn)行。所謂地球靜止軌道，就是在地球赤道的正上方大約36 000 千米高度的天體運(yùn)行軌道。在這個(gè)軌道上，航天器的運(yùn)行周期可以與地球自轉(zhuǎn)的周期保持相同，這樣一來(lái)，航天器便可以實(shí)時(shí)位于地表同一地理位置的正上方。太空電梯的構(gòu)想，不僅可以高效地實(shí)現(xiàn)地表與外太空的物資往來(lái)，而且可以大大節(jié)約航天成本。

然而，太空電梯目前還停留在構(gòu)想階段，問(wèn)題之一便是材料，因?yàn)槟壳暗匿摬模踔潦歉邚?qiáng)度的碳纖維，都無(wú)法在數(shù)萬(wàn)千米的高度下承受自身的質(zhì)量，更別說(shuō)搭載轎廂了。此外，太空電梯的維護(hù)和安全性保障也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。但我們始終相信，在未來(lái)的某一天，隨著科技的發(fā)展，太空電梯將成為可能！

精密的超算“使者”——量子計(jì)算機(jī)

影片中，量子計(jì)算機(jī)550 系列在“流浪地球”計(jì)劃中起到了至關(guān)重要的作用，從行星發(fā)動(dòng)機(jī)的建造到全球互聯(lián)網(wǎng)的重啟，都少不了它的功勞。那么，小小的量子計(jì)算機(jī)為什么會(huì)擁有如此強(qiáng)大的算力呢？就讓我們一起走進(jìn)量子的世界，一探究竟。

對(duì)于“量子”的概念，我們似乎并不陌生。事實(shí)上，量子計(jì)算機(jī)的底層原理與現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)類(lèi)似，只不過(guò)它是利用量子力學(xué)的規(guī)律進(jìn)行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，一個(gè)比特的狀態(tài)要么是“0”，要么是“1”，這就是我們熟知的“二進(jìn)制”，計(jì)算機(jī)就是用這種方式進(jìn)行運(yùn)算的。而在量子計(jì)算機(jī)中，存在一個(gè)“量子比特”的概念，而“量子比特”既可以像經(jīng)典比特一樣為純態(tài)的“0”和“1”，也可以是這兩個(gè)經(jīng)典比特的“疊加態(tài)”。所謂“疊加態(tài)”，通俗點(diǎn)說(shuō)，就是它既有一定的概率是“1”，也有一定的概率是“0”，在沒(méi)有確切的結(jié)果出現(xiàn)前，可被認(rèn)為同時(shí)是“1”和“0”。那么，一個(gè)量子比特就是兩個(gè)經(jīng)典比特的疊加態(tài)，n 個(gè)量子比特就可代替2 的n 次方個(gè)經(jīng)典比特。以此類(lèi)推，僅要20 個(gè)量子比特，就可以表示上百萬(wàn)個(gè)不同的組合。基于這種算法，量子計(jì)算機(jī)便可以采用并行運(yùn)算的方式，大大提高運(yùn)算的效率。未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)，甚至可以達(dá)到現(xiàn)有最強(qiáng)計(jì)算機(jī)算力的上億倍。

然而，量子計(jì)算機(jī)的制造卻極其困難。例如，如何高保真地讀取數(shù)據(jù)、如何克服周?chē)h(huán)境對(duì)量子疊加態(tài)的影響、如何糾錯(cuò)，等等。此外，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行需要極低溫的條件，光量子計(jì)算機(jī)不易被集成化……當(dāng)這些問(wèn)題被一項(xiàng)項(xiàng)克服時(shí)，我們終究可以掌握量子計(jì)算的科技！

推動(dòng)地球的“天燈”——行星發(fā)動(dòng)機(jī)

“流浪地球”計(jì)劃是要將地球推出太陽(yáng)系，奔向遙遠(yuǎn)的新家園，而如此巨大推力的來(lái)源便是行星發(fā)動(dòng)機(jī)。其實(shí)，行星發(fā)動(dòng)機(jī)是該科幻影視作品中出現(xiàn)的概念，它的原理又是什么呢？

電影中的行星發(fā)動(dòng)機(jī)利用真空巖石重聚變技術(shù)作為動(dòng)力源，通過(guò)氦-3 激發(fā)硅原子的重聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而獲得高能高壓的等離子流。這股等離子流沿著發(fā)動(dòng)機(jī)噴口向指定方向噴射，通過(guò)反作用力推動(dòng)地球前進(jìn)。那么，到底什么是重聚變技術(shù)呢？事實(shí)上，“重”指重元素，就是元素周期表中原子序數(shù)較大，也就是質(zhì)量較大的元素。例如，氫的原子序數(shù)是1，硅的原子序數(shù)是14。“聚變”是核反應(yīng)的一種，它指的是在極高的溫度和壓力下，核外電子可以擺脫原子核的束縛，讓兩個(gè)原子核能夠互相靠近并碰撞到一起，發(fā)生原子核的相互聚合，從而生成原子序數(shù)更大的元素，這個(gè)過(guò)程中將產(chǎn)生極其巨大的能量。

其實(shí)，在太陽(yáng)上，時(shí)時(shí)刻刻都發(fā)生著類(lèi)似的核反應(yīng)，只不過(guò)太陽(yáng)上的核反應(yīng)是“輕核聚變”，是兩個(gè)氫原子結(jié)合成一個(gè)氦原子的反應(yīng)。然而，重聚變的反應(yīng)條件比輕核聚變苛刻得多，太陽(yáng)核心的溫度高達(dá)1 500萬(wàn)℃，而在行星發(fā)動(dòng)機(jī)中，卻需要數(shù)億攝氏度的溫度才能發(fā)生重聚變反應(yīng)。不過(guò)呢，重聚變需要的硅元素來(lái)源于地球上隨處可見(jiàn)的巖石，利用這種“燒石頭”的方式也將更易獲得充足的原材料。

萬(wàn)里外的“指揮家”——“領(lǐng)航員”號(hào)國(guó)際空間站

“領(lǐng)航員”號(hào)國(guó)際空間站是科學(xué)家們?yōu)閷?shí)施“流浪地球”計(jì)劃而專(zhuān)門(mén)建造的空間站，耗時(shí)30 年才將其建成。它以10 萬(wàn)千米的相對(duì)位置伴飛地球，目的是為地球提供預(yù)警、領(lǐng)航及通信保障。在現(xiàn)實(shí)中，我們已擁有了自己的“天宮”空間站。和“天宮”空間站相比，《流浪地球2》中的“領(lǐng)航員”號(hào)國(guó)際空間站又有哪些不同之處呢？

“領(lǐng)航員”號(hào)國(guó)際空間站最大的不同之處，就是它配備了先進(jìn)的離心重力模擬系統(tǒng)。我們都知道，通常情況下，空間站中的物體和航天員處于完全失重狀態(tài)，都呈現(xiàn)“飄浮”的姿態(tài)。在3 次“天宮課堂”的授課中，大家都對(duì)此深有體會(huì)。失重環(huán)境一方面不利于航天員的身體健康，另一方面又嚴(yán)重影響了工作的效率。而“領(lǐng)航員”號(hào)國(guó)際空間站上配備的離心重力模擬系統(tǒng)，可以讓空間站的部分繞軸高速旋轉(zhuǎn)，其中的航天員便會(huì)受到由于圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的虛擬力——慣性離心力的作用，這種力會(huì)將航天員“壓”在空間站的“地面”上。這樣一來(lái)，航天員便好似獲得了地球的重力，可以更加方便、高效地工作。

此外，由于“流浪地球”計(jì)劃的執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)千年以上，“領(lǐng)航員”號(hào)國(guó)際空間站中還配備了休眠艙，它可以幫助航天員進(jìn)入休眠模式。這種模式指在超低溫的環(huán)境下，人體僅維持基礎(chǔ)的生命體征，新陳代謝的速度也趨近于零，就像將人的生命按下了“暫停鍵”一樣。然而，蘇醒后的人體也不會(huì)有異常，很快就可以恢復(fù)如初。利用休眠艙技術(shù)，便可以大大延長(zhǎng)航天員的生命。

超級(jí)智慧的“大腦”——人工智能機(jī)器人MOSS

“550W 聽(tīng)起來(lái)不像是個(gè)名字，如果把它翻過(guò)來(lái)，叫MOSS，直譯是‘小苔蘚’的意思，是不是更加幽默了呢？”這是影片中人工智能機(jī)器人MOSS 的經(jīng)典臺(tái)詞。作為“領(lǐng)航員”號(hào)國(guó)際空間站的智能主機(jī)，它是“流浪地球”計(jì)劃與“火種”計(jì)劃的監(jiān)督者和執(zhí)行者。

MOSS 實(shí)際上是一臺(tái)基于超級(jí)量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的人工智能機(jī)器人，與現(xiàn)代的人工智能不同的是，MOSS 不僅具有超強(qiáng)的算力，而且擁有自主意識(shí)和學(xué)習(xí)技能，被稱(chēng)為“強(qiáng)人工智能”。它可以自主學(xué)習(xí)，自主采集數(shù)據(jù)分析，甚至自主規(guī)劃和決策，在某些方面已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類(lèi)的智慧。

其實(shí)，在現(xiàn)實(shí)世界中，人工智能的概念早已被提出，我們生活中用的自動(dòng)駕駛技術(shù)、人臉識(shí)別技術(shù)等，都是源自人工智能技術(shù)。“人工智能”的英文“Artificial Intelligence”簡(jiǎn)稱(chēng)為“AI”，它主要是利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人類(lèi)的思維，這些擁有“人類(lèi)思維”的計(jì)算機(jī)便可以控制機(jī)器，實(shí)現(xiàn)智能化，給我們的生活帶來(lái)極大的便利。

然而，現(xiàn)代的AI 技術(shù)遠(yuǎn)沒(méi)有影片中的MOSS 那樣智能。科學(xué)家們也在努力將超算技術(shù)與AI 結(jié)合，幫助它們能夠像人類(lèi)一樣自主地“思考”和“學(xué)習(xí)”，并且快速作出決策。在超級(jí)計(jì)算機(jī)的加持下，我們有望造出像MOSS 一樣智慧的人工智能機(jī)器人，從而給我們的生活帶來(lái)更大的便利與樂(lè)趣！

科學(xué)是用來(lái)幻想的，有幻想才能有夢(mèng)想，這就是科幻的力量！