《流浪地球2》要炸月球？專(zhuān)家：建議冷靜

如果說(shuō)《三體》代表了華語(yǔ)科幻小說(shuō)的最高成就，那《流浪地球》系列電影就是華語(yǔ)科幻電影中目前天花板式的存在了?？嗟攘诉@么多年，終于能看到中國(guó)人自己拍攝的硬科幻電影了。一部好電影可以讓人們從不同的角度來(lái)欣賞和品味，那么一部“硬科幻”電影當(dāng)然離不開(kāi)一系列科學(xué)知識(shí)的支撐了，讓我們以《流浪地球2》影片情節(jié)為線(xiàn)索，為大家逐個(gè)介紹一下?lián)纹鹫坑捌囊粋€(gè)個(gè)科學(xué)概念吧。

01

月球危機(jī)是怎么回事？

之前看過(guò)《流浪地球》的同學(xué)都知道，因?yàn)樘?yáng)即將壽終正寢，人類(lèi)需要為自己的家園尋找下一個(gè)正值壯年的“太陽(yáng)”，由此啟動(dòng)了頗具悲情色彩的“移山”計(jì)劃。給地球安裝上萬(wàn)臺(tái)行星推進(jìn)器，讓“地球號(hào)”飛船啟航。

但是出發(fā)前先要解決一個(gè)眼前的問(wèn)題，就是陪伴我們已久的衛(wèi)星——月球。地—月系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)保持著穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，月球距離地球的平均距離約38萬(wàn)公里，長(zhǎng)期圍繞地球公轉(zhuǎn)的月球在地球的引力作用下還形成了潮汐鎖定現(xiàn)象，即月球永遠(yuǎn)只有一面對(duì)著地球，而地球和它上面的生物也在月球的影響下產(chǎn)生了很多有趣的現(xiàn)象，比如海水的潮汐，甚至雌性動(dòng)物的生理周期。想要拆散這樣一對(duì)相伴已久的天體伴侶可不是一件容易的事情。

在這里我們分情況討論一下，假設(shè)我們決定不管月球，直接讓地球啟程會(huì)發(fā)生什么？

那我們先看看地球要往哪邊走，如果行進(jìn)的方向在月球軌道面上或距離近似的話(huà)，那么毫無(wú)疑問(wèn)兩個(gè)天體很快就會(huì)相撞。這時(shí)有位聰明的同學(xué)搶答了，那垂直于月球軌道面向上跑不是就不會(huì)和月球相撞了嗎？沒(méi)錯(cuò)，理論上是這樣，但是給地球加速肯定是個(gè)極其緩慢的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中月球會(huì)一直影響著地球，就像一對(duì)要分手的情侶，一個(gè)說(shuō)揮揮衣袖說(shuō)要離開(kāi)，另一個(gè)抱住大腿哭著說(shuō)你不要走??！這還能順利流浪么？

所以這兩個(gè)方案都行不通，那怎么辦？就像電影里演的，先把月球“請(qǐng)走”。因?yàn)榈卦孪到y(tǒng)中地球是大天體，月球是小天體，月球圍繞地球公轉(zhuǎn)，所以讓月球遠(yuǎn)離地球還是更容易一些，那要怎么做呢？就涉及到下一個(gè)問(wèn)題了。

圖蟲(chóng)創(chuàng)意

02

引力彈弓效應(yīng)是什么？

讓月球遠(yuǎn)離地球從直覺(jué)上說(shuō)，是不是給月球一個(gè)垂直于地球向外的里就可以了呢？實(shí)際上并不是，在宇宙間運(yùn)行的天體，其運(yùn)行模式主要是受兩個(gè)關(guān)鍵因素影響，其受到的引力和速度，當(dāng)圍繞著一個(gè)圓心穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的天體速度增加時(shí)，它的軌道就會(huì)逐漸遠(yuǎn)離它的中心天體，反之亦然。所以，想讓月球遠(yuǎn)離地球，就要讓月球加速。

那么怎么加？

僅僅依靠人類(lèi)給月球安裝的那幾臺(tái)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)加速能力就弱爆了，這時(shí)“引力彈弓”閃亮登場(chǎng)了。

引力彈弓是指利用天體引力獲得更大速度的原理。在這里我們先來(lái)做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，想象一下我們?nèi)绻蛞幻鎵τ昧θ右粔K石頭，石頭撞到墻后會(huì)彈開(kāi)，彈開(kāi)時(shí)的速度是多少呢？在理想情況下是和扔過(guò)去時(shí)相等的，如果這面墻是在面向你做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)再扔一塊石頭彈開(kāi)的速度是多少呢？我們研究發(fā)現(xiàn)，彈開(kāi)時(shí)的速度是原來(lái)石塊速度加上墻面運(yùn)動(dòng)速度的兩倍之和。

我們總結(jié)成規(guī)則就是兩個(gè)物體發(fā)生彈性碰撞前后的相對(duì)速度不變。這其實(shí)就是引力彈弓加速原理的基礎(chǔ)，但是可以利用天體引力替代彈性碰撞的效果。

蘇聯(lián)科學(xué)家尤里·康德拉圖克在20世紀(jì)初提出了這個(gè)設(shè)想，人造航天器可以通過(guò)精密的軌道計(jì)算，故意接近大質(zhì)量天體，這樣就可以利用其巨大的天體引力進(jìn)行加速，這樣可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的加速能力。

事實(shí)上，在人類(lèi)航天史上已經(jīng)多次利用過(guò)這個(gè)原理，1977年發(fā)射的旅行者一號(hào)就是依次利用了太陽(yáng)系其他天體的引力彈弓效應(yīng)飛離的太陽(yáng)系，我們中國(guó)航天的嫦娥五號(hào)探測(cè)器和天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器都利用了引力彈弓效應(yīng)進(jìn)行加速。所以利用了引力彈弓效應(yīng)的軌道又被稱(chēng)為“星際高速公路”。

這不是挺好的一個(gè)結(jié)果么？電影中的人類(lèi)也是這么計(jì)劃的，他們就通過(guò)安裝在月球上的衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)讓月球的軌道近地點(diǎn)逐漸接近地球，在合適的時(shí)機(jī)讓月球突然加速?gòu)亩h(yuǎn)離地球。如果真的如計(jì)劃安排的這樣進(jìn)行也就不會(huì)引發(fā)月球危機(jī)了。月球危機(jī)的根源就來(lái)自于地月關(guān)系突破了“洛希極限”。

03

洛希極限是什么？

說(shuō)到這里，先讓我們回顧一下恒星以及行星形成的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，這些天體在誕生前都是在一片混沌的星云當(dāng)中，星云中物質(zhì)分布并不完全均勻，于是稠密一些的部分就逐漸吸引周?chē)奈镔|(zhì)向他靠攏，物質(zhì)逐漸聚攏而形成了這些天體。由此我們可以看出， 維系一個(gè)質(zhì)量相對(duì)較大、已經(jīng)基本形成球狀的天體的物質(zhì)存在的根源就在于天體中心所提供的引力足夠大，可以拉得住周?chē)奈镔|(zhì)聚攏在它身邊。

這時(shí)如果在這個(gè)天體附近再出現(xiàn)一個(gè)大質(zhì)量天體會(huì)發(fā)生什么？如果它們里的足夠近，強(qiáng)大的引力就會(huì)讓小質(zhì)量天體表面物質(zhì)受到自身天體的引力小于外部天體的引力，這時(shí)小質(zhì)量天體將會(huì)被大質(zhì)量天體的引力而撕碎。

洛希極限并不只存在于理論計(jì)算中，我們太陽(yáng)系內(nèi)的鄰居——土星，其光環(huán)就是因?yàn)樵?jīng)的一刻小行星闖入土星軌道被撕裂后的形成的。

在電影中的月球危機(jī)其根源就是因?yàn)槟承┰蛟虑螂x地球太近而突破了洛希極限。

圖蟲(chóng)創(chuàng)意

04

量子計(jì)算機(jī)真的無(wú)所不能？

擁有自我意識(shí)的量子計(jì)算機(jī)550系列在電影中是個(gè)非常搶眼的角色，那么量子計(jì)算機(jī)真的可以像電影中表現(xiàn)的那樣無(wú)所不能甚至?xí)a(chǎn)生自我意識(shí)嗎？

其實(shí)我們國(guó)家現(xiàn)在已經(jīng)擁有了“九章”量子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)是指利用量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速運(yùn)算的設(shè)備，其算法與我們目前的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，需要利用量子算法。理論上量子計(jì)算機(jī)可以依靠其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度解決我們目前面臨的很多難題，例如復(fù)雜的氣象預(yù)測(cè)，核反應(yīng)等。

但是否能真正解決這些問(wèn)題還面臨著很多困難。首先，人類(lèi)目前對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究還處于較為初級(jí)的實(shí)驗(yàn)階段，其次解決這些復(fù)雜問(wèn)題也不能僅依靠量子計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的運(yùn)算能力，還需要其他技術(shù)的匹配支持，例如需要更先進(jìn)的傳感器技術(shù)獲取更多數(shù)據(jù)來(lái)源以建立更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型等。所以“量子計(jì)算機(jī)”雖然非常強(qiáng)大，但并不是人類(lèi)解決未來(lái)各種問(wèn)題的救世主，“無(wú)所不能”這個(gè)詞確實(shí)夸大了它的作用。

至于自我意識(shí)的問(wèn)題就更為復(fù)雜了，至今科學(xué)界對(duì)“自我意識(shí)”形成準(zhǔn)確的概念定義，也沒(méi)有徹底了解“自我意識(shí)”的本質(zhì)。目前較為普遍的認(rèn)識(shí)是“自我意識(shí)”是高級(jí)生命體所特有的，雖然現(xiàn)在人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但我相信在生活中體驗(yàn)過(guò)所謂“人工智能”產(chǎn)品的朋友們都會(huì)感受到，它們似乎并不那么“智能”。

不論是從信息技術(shù)、制造技術(shù)乃至更底層的材料學(xué)等任何領(lǐng)域來(lái)看，擔(dān)心計(jì)算機(jī)產(chǎn)生自我意識(shí)都還為時(shí)過(guò)早。

圖蟲(chóng)創(chuàng)意

05

什么是莫比烏斯帶？

它在生活中有哪些應(yīng)用？

電影中還有一個(gè)細(xì)節(jié)被很多細(xì)心的觀眾注意到了，那就是科學(xué)家馬兆在執(zhí)行任務(wù)前留下的遺囑，就是一個(gè)莫比烏斯帶。

莫比烏斯帶聽(tīng)起來(lái)很酷，其實(shí)小朋友都可以很簡(jiǎn)單的把它制作出來(lái)，只需要將一條紙帶的一段旋轉(zhuǎn)180度和另外一段站在一起就可以了。

那么這么簡(jiǎn)單的一個(gè)結(jié)構(gòu)有什么奇特之處呢？它的奇妙之處在于我們?nèi)绻刂@條莫比烏斯帶畫(huà)一條線(xiàn)，這條線(xiàn)可以不經(jīng)過(guò)紙帶的邊緣而遍歷紙帶的每一個(gè)面，它的起點(diǎn)也是終點(diǎn)，可以不斷循環(huán)永無(wú)止境，這個(gè)特性給我們的科學(xué)家和藝術(shù)家們以無(wú)窮的啟發(fā)。

莫比烏斯帶的特性也有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，最常見(jiàn)的就是傳動(dòng)系統(tǒng)中的皮帶結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的傳動(dòng)皮帶內(nèi)側(cè)因?yàn)橐恢迸c傳動(dòng)軸摩擦?xí)菀啄p，如果將傳動(dòng)皮帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為莫比烏斯帶的方式就相當(dāng)于讓皮帶的每個(gè)面均勻的接受磨損，大大增加了皮帶的壽命。