跟著專家看《流浪地球Ⅱ》里的太空電梯、星際旅行、數(shù)字生命——這些硬核科技，能實(shí)現(xiàn)嗎

文章來源：浙江日報(bào)

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發(fā)布時間：2023-02-04 20:39:22

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電影《流浪地球Ⅱ》的上映，在春節(jié)假期掀起了一場觀影熱潮。

這部續(xù)集作品，其實(shí)講述的是第一部電影的前傳故事。這給了影片更大的空間，去構(gòu)建一個豐滿的世界觀，挖掘核心角色的人生故事，同時，也引入更多關(guān)于技術(shù)、生命、人類命運(yùn)的話題。

片中，出現(xiàn)了太空電梯、行星發(fā)動機(jī)、量子計(jì)算機(jī)等硬核科技元素，穿插著對數(shù)字生命、人工智能的探討。而這個宏偉的星際移民計(jì)劃本身，更引發(fā)著我們對浩渺宇宙的無限遐想。

在技術(shù)迭代的當(dāng)下，科幻與現(xiàn)實(shí)界限，能否被打破？接下來，且跟隨記者，對話天文學(xué)、納米材料、腦機(jī)接口、人工智能等領(lǐng)域的專家學(xué)者，細(xì)說《流浪地球Ⅱ》中的前沿議題——

太空電梯

碳納米材料或?yàn)殛P(guān)鍵

不少觀眾表示，《流浪地球Ⅱ》中最令人熱血沸騰的橋段，非太空電梯的鏡頭莫屬。在科幻電影史上，還沒有影片對太空電梯做出過如此全景化又細(xì)節(jié)飽滿的呈現(xiàn)。

一座直通云霄的天梯，往遠(yuǎn)看，能追溯到人類合力建造巴別塔連接天地的古老夢想；往近瞧，能聯(lián)想到100多年前的俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基。他受到埃菲爾鐵塔的啟發(fā)，也提出過一個類似的構(gòu)思：在地面上建設(shè)一座直達(dá)地球同步軌道的鐵塔，并在塔內(nèi)架設(shè)電梯，讓人們搭乘電梯進(jìn)入外太空。

齊奧爾科夫斯基并不是什么不著邊際的瘋狂科學(xué)家，他的許多觀點(diǎn)——比如，用液體作為火箭的燃料，通過多級火箭克服地心引力等等——都成為了現(xiàn)代航天的重要基礎(chǔ)。建造太空電梯的想法，也從此縈繞在科學(xué)家與科幻作家們的腦海。

科學(xué)家之所以對太空電梯如此著迷，是因?yàn)檫@種交通方式能夠顯著降低太空運(yùn)輸?shù)某杀�，從而為人類發(fā)展太空工業(yè)掃除一大障礙。有資料顯示，目前國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射中每千克載荷的運(yùn)輸成本在2千至2萬美元之間，而太空電梯的出現(xiàn)，可能將這一數(shù)字降至200美元左右。也正因此，劉慈欣在《三體Ⅱ：黑暗森林》中寫道：

“隨著太空電梯的建成，人類開始了對太陽系行星的大規(guī)模探索�！�

那么，這項(xiàng)構(gòu)思已久的工程為什么遲遲沒有成為現(xiàn)實(shí)？

“用一條長長的纜繩一端固定在地球上，另一端固定在地球同步軌道的平衡物，即空間站上……地球自轉(zhuǎn)時，太空電梯纜索就會產(chǎn)生向上的離心力，而地球的重力將纜索向下拉，這樣纜索就平衡了。”影片科學(xué)顧問王元卓這樣描述太空電梯的建造過程。不難發(fā)現(xiàn)，長達(dá)35786千米的纜索，是這座巨型電梯的關(guān)鍵部件。

但這根繩索，真的能夠被制造出來嗎？

“像這樣一條垂直懸掛的超長繩索，光是自身的重量就可能把自己拉斷。”浙江大學(xué)高分子科學(xué)研究所所長高超教授告訴記者，“需要找到一種抗拉強(qiáng)度高、表觀密度低，也就是比強(qiáng)度很高的材料。這樣一來，達(dá)到特定強(qiáng)度所需要的材料質(zhì)量才能越輕。”

高超介紹，碳材料在這方面表現(xiàn)出了巨大的潛力。其中，碳納米管和石墨烯尤其突出。它們的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到約100GPa(吉帕斯卡)，也就是同體積鋼鐵的100倍，但密度卻不足鋼鐵的三分之一。這些碳納米材料，一度讓人們看到了太空電梯夢想實(shí)現(xiàn)的曙光。

“不過，碳納米管和石墨烯的宏觀制備是一大難題。把無數(shù)個單管或單片組裝成一股繩索，它們的結(jié)合之處勢必會出現(xiàn)一定的結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致宏觀材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)不及單位材料所能達(dá)到的理論值。”

高超表示，現(xiàn)在應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域的碳納米管、石墨烯復(fù)合材料，其實(shí)也未能夠最大程度地發(fā)揮出它們最優(yōu)的力學(xué)性能。

在實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家們正竭力攻克宏觀制備技術(shù)的瓶頸，并已取得不少令人欣喜的成果。碳納米管研究方面，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)曾在2013年通過改進(jìn)催化劑，制備出了單根長度超過半米，且具有完美結(jié)構(gòu)的碳納米管；在2018年又制備出了拉伸強(qiáng)度超過80GPa，逼近單管強(qiáng)度的碳納米管管束。

而在對石墨烯的研究上，高超教授團(tuán)隊(duì)在2011年就實(shí)現(xiàn)了石墨烯纖維的連續(xù)制備。2020年，他們還實(shí)現(xiàn)了兼具高強(qiáng)度、優(yōu)異電學(xué)和熱學(xué)傳導(dǎo)性的宏觀石墨烯纖維，在石墨烯纖維的工程化制備上又前進(jìn)了一步。

“如果能夠突破材料的極限，那么建造太空電梯是完全有可能的。”高超說。

“流浪地球”計(jì)劃旅程終點(diǎn)是最近的恒星系

長達(dá)2500年，跨越100代人的“流浪地球”計(jì)劃，是一段無比孤獨(dú)的旅程：地球舍棄了自己唯一的一顆天然衛(wèi)星——月球，孤身前往距離太陽系4.24光年之外的恒星系，尋找新的家園。

《流浪地球Ⅱ》圍繞著“啟程”展開，對逐月計(jì)劃，以及后續(xù)的月球危機(jī)進(jìn)行了詳盡的展現(xiàn)。關(guān)于這段故事，原著中這樣描寫：

“在回家的航程中，我們看到了啟航的第一個信號：夜空中出現(xiàn)了一個巨大的彗星，那是月球。人類帶不走月球，就在月球上也安裝了行星發(fā)動機(jī)，把它推離地球軌道，以免在地球加速時相撞�！�

對于這趟漫長的星際旅行，觀眾或許會有這樣的困惑：陪伴了我們45億年的月球，在最后一刻真的帶不走嗎；2500年之后，人類真的能抵達(dá)一個更宜居的星系嗎？

其實(shí)，在現(xiàn)實(shí)的宇宙中，流浪的行星并不少見，但它們卻不一定形單影只。

浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院教授朱濤長期從事引力理論與宇宙學(xué)等研究。他告訴記者，銀河系內(nèi)流浪行星的數(shù)量可能多達(dá)數(shù)十億顆。

“流浪行星的成因一般有兩種可能性。一種由星際氣體和塵埃在引力作用下直接形成。這些行星附近沒有恒星，一般不會繞著恒星運(yùn)轉(zhuǎn)。另一種情況是行星本身位于恒星系統(tǒng)內(nèi)，但是因?yàn)楹阈窍到y(tǒng)發(fā)生了劇烈的活動，比如行星與行星、行星與恒星間的引力作用，導(dǎo)致行星被甩了出去。”

朱濤進(jìn)一步解釋，在這一過程中，行星的衛(wèi)星有可能脫離行星或被直接摧毀，脫離的原因和行星脫離恒星系統(tǒng)類似。但也有一種可能，衛(wèi)星會和行星同時被甩出，一起踏上流浪之旅。

2018年，一項(xiàng)發(fā)表于《英國皇家天文學(xué)會月報(bào)》的研究模擬了一個由三顆與木星質(zhì)量相當(dāng)?shù)男行菢?gòu)成的行星系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)如果衛(wèi)星處于行星的200個行星半徑內(nèi)，那么它很有可能隨著行星被一同甩出。不過如果行星質(zhì)量比較小，情況就有所不同。另有研究顯示，如果行星的質(zhì)量和地球差不多，衛(wèi)星與該行星被一同甩出的概率就只有4.6%左右。

這樣看來，雖然帶上衛(wèi)星去流浪并非不可能，但在這樣的概率下，拋棄月球才是更明智之舉。更何況，影片中的地球并非如模擬實(shí)驗(yàn)中那樣，受到引力作用被拋出太陽系，而是在行星發(fā)動機(jī)的推動下主動加速逃離。這必將產(chǎn)生更多的不確定因素。

把目光投向旅程的終點(diǎn)。影片中人類計(jì)劃前往的半人馬座阿爾法三星系統(tǒng)，早已是眾多科幻作品設(shè)定的地外文明的家園——

在阿西莫夫的小說《基地與地球》中，這一星系里定居著一批神秘的“星際移民”；電影《阿凡達(dá)》中的潘多拉星球，是繞該星系中A星旋轉(zhuǎn)的一顆氣態(tài)巨星；小說《三體》中的三體世界也存在于該星系，不過實(shí)際上的三星系統(tǒng)，并不像書中所描述的那樣混亂……

半人馬座阿爾法三星系統(tǒng)為何如此令人神往？在朱濤看來，這首先是因?yàn)樵撔窍凳瞧袢祟惏l(fā)現(xiàn)的離太陽系最近的恒星系統(tǒng)。不僅如此，科學(xué)家們還分別在該星系比鄰星的宜居帶中發(fā)現(xiàn)了類地行星“比鄰星b”和“比鄰星d”的蹤跡。

“恒星系統(tǒng)中的某個行星如果正好處于宜居帶內(nèi)，說明這個行星表面允許液態(tài)水的存在，有孕育生命的可能性�！敝鞚忉尩�，但是它是否宜居還受到大氣、地質(zhì)環(huán)境、恒星系統(tǒng)環(huán)境等諸多因素的影響——比如，上述兩個行星的地表環(huán)境就十分惡劣——離真正“宜居”還非常遙遠(yuǎn)。

即便如此，這個遙遠(yuǎn)星系的未知與神秘，也足以讓它俘獲大量科幻迷的青睞。

“這是一個與太陽系完全不同的三星系統(tǒng)，科學(xué)家還無法精確地求解出三顆恒星的運(yùn)行軌道。我想，這樣的恒星系統(tǒng)可以帶給科幻作品更多的想象空間�！敝鞚f。

數(shù)字生命人類大腦仍是未解的謎團(tuán)

如果有機(jī)會，你會選擇復(fù)制自己的全部記憶與意識，上載到計(jì)算機(jī)，讓生命在數(shù)字世界得到“延續(xù)”嗎？

除了太空工程、星際移民，《流浪地球Ⅱ》還引入了一個第一部作品中未曾觸及的概念——“數(shù)字生命”。原本只能“存活”2分鐘的數(shù)字人丫丫，被上傳到新一代量子計(jì)算機(jī)550W后，一下子擁有70年的“人生”。

數(shù)字生命的概念已被無數(shù)的科幻作品以不同的方式呈現(xiàn)過。但看完電影，許多人仍不免想要從這些設(shè)定中尋找一絲現(xiàn)實(shí)的依據(jù)。這或許是因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)世界里，不論是影片中用于掃描心智的腦機(jī)接口，還是用于“運(yùn)行”生命的量子計(jì)算機(jī)，都在最近幾年里不斷掀起著科技的熱浪。

不妨接下去思考，實(shí)現(xiàn)影片中如丫丫一樣的數(shù)字生命，需要怎樣的條件？我們距離這樣的愿景，還有多遠(yuǎn)？

對一個數(shù)字生命的成功誕生的前提，影片人工智能組的科學(xué)顧問團(tuán)隊(duì)作出了這樣的假設(shè)：“第一，有完全準(zhǔn)確的大腦結(jié)構(gòu)快照，可以通過記錄神經(jīng)元連接來存儲已有記憶；第二，有完美的腦機(jī)接口，可以實(shí)現(xiàn)與被試大腦的長期腦波交互，記錄各種意識活動對應(yīng)的大腦活動模式；第三，全腦仿真可以順利完成思維擬合，進(jìn)而重建意識；第四，不論定性還是定量上看，重建意識都與原有意識完全相同。”

在這個理想化的框架下，強(qiáng)大的腦機(jī)接口加上計(jì)算機(jī)的全腦仿真，才能夠?qū)崿F(xiàn)對原生命的某種完全復(fù)刻。

然而，反觀腦科學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀，上述的每一項(xiàng)假設(shè)，目前來看都是一個不可逾越的障礙。

拿“大腦結(jié)構(gòu)快照”來說，浙大西投腦機(jī)智能研究中心的研究人員告訴記者，目前的技術(shù)能夠通過例如結(jié)構(gòu)性磁共振（MRI）、功能性磁共振（fMRI）、彌散張量成像（DTI）等技術(shù)，繪制大腦的結(jié)構(gòu)或功能圖譜，但這些成像結(jié)果相比于擁有860億個神經(jīng)元的復(fù)雜大腦，只能算是管中窺豹。

2021年，有科學(xué)家團(tuán)隊(duì)曾做過某種“結(jié)構(gòu)快照”式的研究，構(gòu)建了僅一立方毫米大小的老鼠大腦的三維地圖。但這顆僅砂礫大小的大腦樣本，就包含著約20萬個大腦細(xì)胞和超過5億個神經(jīng)突觸——如果要構(gòu)建人腦，這樣浩大的工作還要被重復(fù)無數(shù)遍。

此外，在對大腦活動的研究上，目前非侵入式與侵入式的腦機(jī)接口的思路是通過監(jiān)測大腦電信號或其他生理信號，記錄下特定大腦部位對具體行為的反應(yīng)，再結(jié)合生理學(xué)研究探索大腦功能實(shí)現(xiàn)的規(guī)律，來實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的實(shí)時通信和交互。

但是，人類的行動和思維，往往涉及各個腦區(qū)的整體協(xié)作。對全腦同時進(jìn)行全方位的觀測，現(xiàn)在的技術(shù)水平尚難以做到。

“我們的腦細(xì)胞大小，也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)電極的。這就導(dǎo)致了信息被‘高度壓縮’�！边@位研究人員進(jìn)一步補(bǔ)充道，“用電極窺探腦部活動，就相當(dāng)于在太空中肉眼觀察城市的燈光，假如某個區(qū)域的燈火最亮，我們可以推測那里的人類活動最頻繁，但哪些人具體在做什么，我們無從知曉�！�

更關(guān)鍵的問題在于，用更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)對電信號進(jìn)行細(xì)致入微的模擬，是否就能實(shí)現(xiàn)“重建意識都與原有意識完全相同”？

“更強(qiáng)大的算力資源，尤其是量子計(jì)算的引入，確實(shí)能夠推動以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能實(shí)現(xiàn)跨越式的變革。”浙江大學(xué)人工智能研究所所長吳飛教授說。

這是因?yàn)椋蕾嚁?shù)據(jù)、模型和算力是當(dāng)下深度學(xué)習(xí)發(fā)展的普遍特征�！氨热缱罱蠡鸬腃hatGPT的模型中就擁有超過1700億個參數(shù)，訓(xùn)練這樣的模型平均要花費(fèi)上千萬美元�！眳秋w說。

這些人工智能對于算力的需求可謂無窮無盡。日前，國際數(shù)據(jù)公司與浪潮信息聯(lián)合發(fā)布的一項(xiàng)報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)未來5年，我國人工智能算力規(guī)模的年復(fù)合增長率將超過50%。這樣的速度已經(jīng)不低了，但顯然還難以滿足人工智能巨量的需求。

這樣看來，如果數(shù)字生命是一個超級復(fù)雜的人工智能，那么研發(fā)計(jì)算性能更優(yōu)越的量子計(jì)算機(jī)，或許能夠支撐起它意識的重建。

但人腦思維與機(jī)器計(jì)算存在本質(zhì)上的不同。這讓我們思考，人類的機(jī)體功能是否永遠(yuǎn)無法被機(jī)械硬件取代�！俺晒τ�(xùn)練打敗李世石的阿爾法圍棋（Alphago）要耗費(fèi)洛杉磯城市一整年的電力，但人的大腦一天只需要消耗約25度電。”在吳飛看來，人腦的思維活動，是“大道至簡、大象無形般的舉重若輕”，而不是單純的以力取勝。

“萬物皆可算，唯智不可量�！眳秋w提出了這樣的觀點(diǎn)。

“人與機(jī)器最大的不同在于人之間的差異性�！闭愦笪魍赌X機(jī)的研究人員也有相似的看法，“我們訓(xùn)練人工智能的目的，是希望它按照人類設(shè)定的過程得出唯一正確的結(jié)論。但只有人會在陌生環(huán)境中做出事先未有計(jì)劃的決策，會面對同一件事情，做出截然不同的選擇。”

什么是人的意識、智慧、思想？繞過這些詞語深奧的哲學(xué)定義，如果從產(chǎn)生的過程看，它們孕育于人的血肉之軀，是神經(jīng)元間生滅的電光石火。而從結(jié)果看，它們帶來的不是聰明的機(jī)器，而是復(fù)雜多樣的人類社會。

回到影片的設(shè)定中。如果丫丫真的是一個有“自主意識”的數(shù)字生命，我們可以大膽猜測，支持她“成長”的量子計(jì)算機(jī)，也必定不僅是一臺我們現(xiàn)有認(rèn)知中的計(jì)算機(jī)器。

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