《流浪地球》里的那些超级科技:我们离“行星发动机”还有多远?

黄琨

今年春节档,《流浪地球》成为了一匹无可匹敌的强势黑马。在首日低排片的情况下,凭借口碑逆袭,票房持续走高,是初一到初六唯一一部票房每日上升的影片。影院的反应也很迅速,初三及之后的《流浪地球》排片占比已跃居第1。

流浪地球

(图片来源于微博)

当然,引发民间网络现象级探讨的,并非这部电影取得的商业成就,而是其在中国电影史上可能的里程碑式意义。在早期的宣发阶段,《流浪地球》的热度远不及有宁浩、黄渤、沈腾3大票房保证的《疯狂的外星人》,以及有着星爷情怀加持的《新喜剧之王》。但是从点映阶段开始,《流浪地球》“开启中国科幻电影元年”的说法逐渐流传。

等到正式上映后,凭借新鲜的剧情、恢弘的场面、优秀的特效,以及诸多新奇又先进的科幻装备,这部电影口碑爆炸,在实打实买票打分的猫眼电影上有高达9.3的分数,而在美国IMDB上,《流浪地球》评分也有8.0。

在好口碑的作用下,该片票房也一路走高。截至小编写稿的初七早上,《流浪地球》总票房已经达到20.77亿元,当天票房6945万元,占当天总票房11930万元的58.2%。根据《战狼2》《红海行动》大卖之后国内该类电影疯狂涌现来看,接下来,我们可以期待一大批国产科幻的出现。

跳出电影市场,对于整个科幻领域来说,《流浪地球》在网上引发科幻、科学大讨论,有可能点燃全民科幻热情,这才是其最大的功绩。无论是高11000米、运作声像心跳的巨无霸行星发动机,还是外表刚劲耐x、行驶时动力澎湃的巨大卡车,亦或是主角身上极具未来感的外骨骼系统,都符合人们对未来的幻想。作为自诩“前瞻”的信息平台,前瞻网自然要好好蹭一蹭这个热度,聊一聊其中的前沿构想或先进设备。

想必大多数人和小编一样,一开始震撼的,应该是高耸入云的行星发动机出现时,蓝色离子流喷向天际的情景。

行星发动机

(截图来源于《流浪地球》预告片)

在《流浪地球》中,行星发动机的设定为高度11000米——比珠穆朗玛峰高出一座华山——,总共有12000台,全部在北半球,提供150万亿吨的总推力,在5年左右将地球推进到逃逸太阳引力的最低速度,即16.7公里/秒。不过,其产生的推力,远远不是现在技术能达到的,那么它到底是如何实现的?原著作者刘慈欣给出的答案是:重聚变反应堆。

这是在电影后续大讨论中,极具争议的一点,最大的问题是:“重聚变”的“重”指的是什么?在《流浪地球》原著中,大刘写的是“重元素聚变”,在物理学或化学中,重元素是指元素周期周期表中位于铁(26号元素)以后的元素。那么问题来了,根据已有的发现和理论,所有重元素聚合需要的结合能已经超过释放出的能量,重元素聚变是吸能反应而非放能反应,根本无法提供推进能量。

因此,一个合理的解释是,“重元素聚变”只是大刘的一个笔误,他真正想表达的应该是“重离子聚变”。相较于重元素,重离子的范围更广一些,质量数大于4的原子核,即元素周期表氦核以后(原子序数大于2的失去电子的原子)的离子,都是重离子。那么,代入到反应中,从氦-4到铁-56都是放能反应,理论上可以为行星发动机提供推力。而地表岩石中,确实含有大量氦-4到铁-56的离子,比如氧-16和硅-28等,这也符合原著和电影中“烧石头”、“消耗亚欧与北美大陆2/3的山脉”的说法。

需要说明的是,以上全是设想,现在的物理学界仍然在攻关用氢的同位素(氚、氘)聚变成氦的可控核聚变技术,一旦成功,人类即可以从海水中提取氘,理论上确保未来上亿年能源无忧。可惜,目前这项技术仍在探索阶段,“烧水”都没搞明白,“烧石头”可能还要放一放。

不过,这里虽然说“放一放”,但也没完全放下。事实上,《流浪地球》中的重聚变不是什么新鲜东西,早在70年代,全球物理学界已经提出了相关概念,百度“重离子聚变”,第1页就有1994年发表的《重离子惯性聚变》的知网论文。不过近年来,相关论文是少了很多,而且在中文网上也查不到国内相关研究信息。

在外网上,倒是可以找到一些信息,比如在去年初ScienceDirect网站上的一篇文章《加速器驱动重离子核聚变概览》中,就多次提到位于兰州的现代物理研究所正在开展重离子聚变研究,此外,文章还提到,日本从1985年就开始进行相关研究,莫斯科的理论与实验物理研究所的研究也从80年代延续至今。

由于这篇文章主要讲述重点在于加速器的发展,并没有介绍全球重离子聚变的情况,小编另外找到一篇题为《重离子聚变反应的最新进展》(Recent developments in heavy-ion fusion reactions)的文章,从“临近库伦势壁的能量研究新结果”、“远低于库仑势垒的聚变阻碍”、“突破库仑势垒的能量研究新结果”、“核天体物理学的新成果”、“放射性束研究新结果”、“重离子系统中的聚变”6大方面总结了十几年间重离子技术的发展。

看到这么多专业术语,想必读者只能不明觉厉。为了避免大家越看越迷糊,小编就不把那些文章中的复杂公式、繁琐论证过程放上来了,简单给大家讲一讲结论,看看我们离“带着地球去流浪”还有多远。对细节有兴趣的人可以自己谷歌文章标题。

根据文章总结部分,过去十几年,研究人员的主要成果是“讨论了(重离子聚变)与恒星演化的重要联系”;面对“许多重要过程发生在极低能量下,如何进行实验”这一“挑战性”难题,科学家已经在“实验测量和理论概述”中都取得了进展,同时提出了在实验中无法达到的区域内进行分析超滤的建议。

此外,“利用放射性束进行聚变反应的研究仍处于起步阶段,松散结合的有价电子核对聚变过程的影响尚不清楚,(科学家)需要进一步研究来评估,使用具有相关性质的反应离子是增强还是阻碍了聚变过程。”

“人们很早就认识到,在裂变势垒内部会形成一个紧凑形状的复合体系,由于动力学效应,大质量核之间的融合受到阻碍。科学家提出了几种理论描述,探讨这类效应。最近的一个模型基于从势垒内捕获的双核形状到近球形化合物阶段的概率的扩散描述,似乎可以很好地描述许多用于结合超重元素的系统。未来的实验将证明这种方法是否具有预测能力。”

根据小编的经验,上述几段话可以简单总结为,物理学界提出了一些新理论,但大部分还没到实验阶段,更遑论实用了。这么看来,如果真的像电影中那样,人类需要在本世纪50年代开始准备逃亡,就别想着行星发动机了,还是造飞船比较靠谱。

除了重聚变反应堆以外,要建造行星发动机,还有不少问题值得探讨,比如在知乎上有人提问:“《流浪地球》中一万座行星发动机同时开启的瞬间,巨大的推力会造成大陆板块的撕裂吗?”

在下面的回答中,大部分答主都论证了,在让地球停止转动以及向前推进的过程中,地壳将承受巨大压强,但也有部分答主认为,虽然地幔有岩浆,但整体来看,地球是一颗固体星球,行星发动机可能造成一定的地壳运动,但影响不会很大。

此外,和大多数科幻小说和电影一样,《流浪地球》本身也作了一些特殊“设定”,比如设定地壳足够坚硬,大刘在原文中就写道:“推进发动机安装在北纬30°以上的亚欧和美洲大陆上,只有这两个大陆完整坚实的板块结构才能承受发动机对地球巨大的推力。”

此外,按照设定,为了让发动机启动时不会下陷,底部用最新的复合材料制作了直径超过100公里的支撑面,降低对地表压强。中央控制室控制一组矩阵的安全运作,包括防止过载系统。 在行星发动机正下方,人类建造了地下城,利用发动机产生的能量在地下生存。

其实,对于科幻创作的内容,我们可以探讨,但是不要过于较真。大刘在早前的采访中自己也提到过,科幻作家不是科学家,虽然都是对未来科学可能的想象,不同点在于,科学家需要想象出现几率最高的可能,而科幻作家需要的是最有意思的可能。从科学的角度,《流浪地球》或许不是最好的解决方案,但从小说电影的角度,带着家园流浪,可能是科幻史上最浪漫的篇章。

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