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《流浪地球》:與科學家一起看“門道”

中國數字科技館 2019-02-15

  《流浪地球》這部改編自劉慈欣同名小說的科幻電影,可謂是實力、顏值俱擔當,更被譽為中國的“第一部硬科幻”,不管是在科幻圈還是電影圈,都具有非凡的“劃時代意義”。科幻作品所迸發的宏大超前的想象力和創造力,往往十分吸引公眾,可以激發公眾熱愛科學、探索科學的興趣,僅從《流浪地球》的票房,其科普效果就可見一斑。為滿足大家觀影之余的熱切討論和求知欲望,本期學姐來了,特別采訪了北京大學理論物理專業博士于赫夫,來為我們解讀其中的“科學門道”。

  

  

  太陽以及其他質量差不多的恒星,在自己氫燃料不夠用的時候,會塌縮成為紅巨星,它的核心由于塌縮會變得極度致密、高溫,最終點燃氦燃料,發生氦閃。那么,為什么叫氦閃呢,因為這個過程像閃光一樣,是亮一下,再亮一下的。打個比方的話,或許像宇宙中年邁、致密且孤獨的螢火蟲嗎?

  具體點說,恒星就像一個鍋爐在燃燒,不同的是,這個鍋爐太大,內部物質之間的萬有引力是不能忽略的,因此恒星都由于引力而有向中心聚集的趨勢。在恒星的成年人階段,也就是主序星階段,引力壓縮星體導致的高溫高密,達到氫聚變的點火溫度,而氫燃燒的熱效應又足夠抵抗引力,因此恒星能以一個穩定的體積持續發熱,就像現在的太陽。這個過程中,恒星的氫在持續消耗,變成了氦。然而“坐吃山空”,主序星總會迎來一個時刻,氫燃燒的熱量不足以抵抗引力,只好向內塌縮。

  塌縮時內外所受待遇有別,恒星內核由于塌縮而高溫高密,聚變溫度升高,恒星外殼因此接收到更多的熱量,向外膨脹,膨脹過程中一部分外殼氣體甚至會脫離太陽的引力而被吹散,這就是紅巨星的狀態。此時,在較低溫而膨大的外殼內部,恒星核心由于極高的質量和密度,而在進行激烈的聚變反應,電磁斥力和簡并壓(由于泡利不相容原理,電子和原子不喜歡呆在相同的量子態上,因此被高度壓縮的物質會產生強大的斥力抵抗壓縮)會依次上場,來抵抗恒星核心強大的引力。別忘了,氦伴隨著這個過程仍在核心迅速積累。氦的核聚變點火溫度很高,但太陽等恒星質量極高,其核心會由于引力而達到極高的溫度,最終氦在中心被點燃,反應非常劇烈,熱量迅速積聚,出現非線性的強烈爆閃,氦閃發生了。爆閃的能量被恒星核心層層吸收,最終讓核心解除簡并而膨脹,外界此時會觀測到突然的溫度升高和熱離子拋散,而核心膨脹后溫度降低,無法滿足氦聚變反應嚴苛的條件,反應迅速衰減,引力重新掌握了比賽。如此,恒星的核心伴隨著氦閃經歷一輪收縮、膨脹和收縮,靜靜等待下一次氦核的點火。

  其實在氦閃之前,太陽塌縮吹散的熱等離子體,就足以摧毀地球生物,而氦閃再次拋出的大量能量和熱物質,很可能吞沒太陽系行星。當然,這只能是基于當下太陽模型的演算,模型和模型參數的調整會導致結論的差異。

  

  

  太陽的聚變主要是氫聚變和氦聚變。其中主序星階段的氫聚變是穩定持續,相對溫和的,是人類可控核聚變的理想范本。只是它太遠了,我們能汲取的只有微小的電磁輻射(太陽能)。所以我們要自己造可控聚變堆,也就是“人造太陽”。

  但是氦聚變的反應比氫要特殊,問題出在,兩個氦核直接聚變的產物非常不穩定,這就需要第三個氦核迅速加入反應,讓聚變能持續進行。這對反應溫度和密度提出了非常高的要求(所以,太陽也只有在核心的高度壓縮、簡并的狀態才能觸發氦閃),在地面上實現這樣的條件,技術難度和成本都太高了,目前這不是可控核聚變反應堆很好的技術方向。

  如何干預太陽的氦閃,這需要再認識一下氦閃發生的具體條件:系統處于簡并態。簡并態的特點非常“反常識”,它質量越大體積反而越小,而且聚變產生的高熱量并不會讓系統快速膨脹而降溫,這導致熱量大量積累,反應非常劇烈,從而形成爆閃。所以控制氦閃的核心在于消除太陽中心的簡并狀態,而這意味著人們要穿透太陽遼闊的熱離子外殼,干預到其高度致密高溫的核心,目前的技術方向確實沒有太好的辦法。如果要切實解決這個問題,我們或許需要先研發“智子”。

  我認為操控氦閃當然是不錯的科幻方向,能夠掌握和操控氦閃技術,其前提是量子理論和技術有突破性、顛覆性進展,且對大空間尺度的遙感和干預非常成熟,這意味著一系列有趣的事情,比如人們甚至可以干預恒星發展階段,人為制造或者消除氦閃,甚至直接從恒星聚變汲取能量,將對能源、武器和社會發展產生顛覆性影響。這當然是不錯的科幻方向。

  這里不妨介紹一下地面可控核聚變的備選反應物,一般是兩個氫,或者一個氫和一個氦。比如,氘氚(兩種氫核)直接反應,點火溫度最低,對磁約束要求也較低,但該反應熱效率低且帶來中子放射性,對設備的防護和熱效率提出了很高的要求。氘氘反應的熱效率不錯,也沒有顯著的輻射問題,是很不錯的備選,但對點火溫度和等離子制備技術要求高了一些。而在熱效率方面的最優解則是氘核與氦核的聚變反應,不過該反應對溫度、密度的要求更高。所以暫時更可行的或許還是折中的氘氘反應。

  

  

  在涉及到宏大時空觀的作品中,科幻作者對當下的主力能源往往是不滿意的,或者說,人們非常期待顛覆以化學能、電磁能以及核(裂變)能為主導的當下能源。能源從哪里來,追根溯源,我們可能去求索的只有物質和時空。從物質要能量,那最好的是可控核聚變,而從空間本身要能量,那或許就與引力相關。

  當我看到劉慈欣寫出如山般的“重元素聚變發動機”,我就暗暗揣測,這是作者把期許中的(與引力相關的)重力和核聚變,雜糅并投射出的產物。用引力(重力)給核聚變點火或者維持反應,這有點浪漫。重元素聚變是存在于某些天體中的,但該技術能在地球上產生多大真實推力,對板塊、生態和大氣有什么影響,我覺得這不是有意義的討論方向,正如對于浪漫的“春風拂檻露華濃”,沒有人會從露華有多濃,導致多大pm2.5去做文藝批評一樣,那是牛嚼牡丹。重元素聚變發動機是一個意象,構建這個意象的是人們對掌握引力和時空,掌握可控核聚變的深遠期許。

  不得不提一下,小說中聚變發動機的制造進度和技術方案是落后于現實的:我國托克馬克磁約束的可控核聚變技術方向遠遠優于小說中花費漫長時間論證的技術方向,而且按現有時間表,我國的驗證聚變堆和工業聚變堆落地,都將遠快于小說進度(國際項目ITER的時間表或許更快些,但很可惜的是該項目實際進展比我國的EAST項目緩慢很多;另外,ITER項目中我國專家的工作也較為核心)。科幻落后于現實,這比較罕見,多數時候相反。我認為這不是劉慈欣幻想的不夠。二十年前,十二億人的中國敢幻想第三艘航母的有幾個,敢要隱身五代機、矢量發動機的有幾個,敢預期可控核聚變遙遙領先其他國家的有幾個——約等于零。在能源領域,劉慈欣二十年前所構建的雋永意象,碰撞了二十年后科學工程工作者開拓的輝煌現實,工業如詩。

  

  

  火石是一種科幻設定,大概是因為用核聚變燃燒山脈太過驚世駭俗,需要一個居間過渡。火石大概被設定為需要少量持續的電力維持,以穩定輸出高能量給重元素聚變點火,這樣的材料至少在我的領域(理論物理)不太好找。

  不過可以以此為契機,稍微聊聊當下可控核聚變的幾種點火原理。讓等離子體溫度高到足以發生聚變反應,且聚變輸出能量大于系統損耗,這就完成了點火。當下比較主流的點火方向是在托克馬克環中注入高能等離子體或用某種波(如電磁波、離子波)輸入能量,且實現強約束進一步提高密度和溫度達到點火條件,這是我國和多數大型國際項目的主流方向。在美國和個別歐洲國家,比較時髦的是用高能激光轟擊聚變材料靶點火,這個方向容易達到高溫,但對激光提出的要求很嚴苛且可控性不易滿足,也在攻關;我國神光2項目也是激光點火的方式。有些項目中,同樣采用類托克馬克的方法點火,但磁約束裝置不是托克馬克環,而是異形環,這類項目在日本、德國和我國某些地方大學都有,比較考驗裝配精度,但目前進展較慢。

  

  這很難預言。挪走人類生存的恒星,聽起來匪夷所思,技術上也難以想象,但我愿意保持好奇。也許有那么一天,人們用當代看來更加匪夷所思的方式,把地球挪到另一個更理想的星系,甚至偶爾回來度假考古,這樣的想法我覺得不瘋狂。多年前人們面對倉庫大小的計算機,如果敢于預言計算機的計算核心將微縮成孩子的指甲大小,算力以億倍為單位爆發增長,那看起來同樣瘋狂。工業技術路線是客觀存在的,也是難以預測的,也許后人會感慨我們眼界低呢?

  

  我個人的關注點比較人文。流浪地球是個非常特殊的故事,相比其他科幻或者災難題材,它更像是一種中華文化的神話情懷在未來的演繹。我第一直觀是,這是一個現代的大禹治水,夸父逐日,愚公移山的雜糅。而且并不是憑空的雜糅,故事用自洽的演繹,塑造出能夠在邏輯上立得住的未來神話,這在我看來才是真正的硬核。

  采訪人物

  姓名:于赫夫

  機構:北京大學

  職務:研究助理

  研究方向:數學物理、標準模型和量子引力

  部分圖片來自網絡,如有版權問題請與我們聯系

責任編輯:王超

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