[科普中国]-《流浪地球》：与科学家一起看“门道”

《流浪地球》这部改编自刘慈欣同名小说的科幻电影，可谓是实力、颜值俱担当，更被誉为中国的“第一部硬科幻”，不管是在科幻圈还是电影圈，都具有非凡的“划时代意义”。科幻作品所迸发的宏大超前的想象力和创造力，往往十分吸引公众，可以激发公众热爱科学、探索科学的兴趣，仅从《流浪地球》的票房，其科普效果就可见一斑。为满足大家观影之余的热切讨论和求知欲望，本期学姐来了，特别采访了北京大学理论物理专业博士于赫夫，来为我们解读其中的“科学门道”。太阳以及其他质量差不多的恒星，在自己氢燃料不够用的时候，会塌缩成为红巨星，它的核心由于塌缩会变得极度致密、高温，最终点燃氦燃料，发生氦闪。那么，为什么叫氦闪呢，因为这个过程像闪光一样，是亮一下，再亮一下的。打个比方的话，或许像宇宙中年迈、致密且孤独的萤火虫吗？具体点说，恒星就像一个锅炉在燃烧，不同的是，这个锅炉太大，内部物质之间的万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趋势。在恒星的成年人阶段，也就是主序星阶段，引力压缩星体导致的高温高密，达到氢聚变的点火温度，而氢燃烧的热效应又足够抵抗引力，因此恒星能以一个稳定的体积持续发热，就像现在的太阳。这个过程中，恒星的氢在持续消耗，变成了氦。然而“坐吃山空”，主序星总会迎来一个时刻，氢燃烧的热量不足以抵抗引力，只好向内塌缩。塌缩时内外所受待遇有别，恒星内核由于塌缩而高温高密，聚变温度升高，恒星外壳因此接收到更多的热量，向外膨胀，膨胀过程中一部分外壳气体甚至会脱离太阳的引力而被吹散，这就是红巨星的状态。此时，在较低温而膨大的外壳内部，恒星核心由于极高的质量和密度，而在进行激烈的聚变反应，电磁斥力和简并压（由于泡利不相容原理，电子和原子不喜欢呆在相同的量子态上，因此被高度压缩的物质会产生强大的斥力抵抗压缩）会依次上场，来抵抗恒星核心强大的引力。别忘了，氦伴随着这个过程仍在核心迅速积累。氦的核聚变点火温度很高，但太阳等恒星质量极高，其核心会由于引力而达到极高的温度，最终氦在中心被点燃，反应非常剧烈，热量迅速积聚，出现非线性的强烈爆闪，氦闪发生了。爆闪的能量被恒星核心层层吸收，最终让核心解除简并而膨胀，外界此时会观测到突然的温度升高和热离子抛散，而核心膨胀后温度降低，无法满足氦聚变反应严苛的条件，反应迅速衰减，引力重新掌握了比赛。如此，恒星的核心伴随着氦闪经历一轮收缩、膨胀和收缩，静静等待下一次氦核的点火。其实在氦闪之前，太阳塌缩吹散的热等离子体，就足以摧毁地球生物，而氦闪再次抛出的大量能量和热物质，很可能吞没太阳系行星。当然，这只能是基于当下太阳模型的演算，模型和模型参数的调整会导致结论的差异。太阳的聚变主要是氢聚变和氦聚变。其中主序星阶段的氢聚变是稳定持续，相对温和的，是人类可控核聚变的理想范本。只是它太远了，我们能汲取的只有微小的电磁辐射（太阳能）。所以我们要自己造可控聚变堆，也就是“人造太阳”。但是氦聚变的反应比氢要特殊，问题出在，两个氦核直接聚变的产物非常不稳定，这就需要第三个氦核迅速加入反应，让聚变能持续进行。这对反应温度和密度提出了非常高的要求（所以，太阳也只有在核心的高度压缩、简并的状态才能触发氦闪），在地面上实现这样的条件，技术难度和成本都太高了，目前这不是可控核聚变反应堆很好的技术方向。如何干预太阳的氦闪，这需要再认识一下氦闪发生的具体条件：系统处于简并态。简并态的特点非常“反常识”，它质量越大体积反而越小，而且聚变产生的高热量并不会让系统快速膨胀而降温，这导致热量大量积累，反应非常剧烈，从而形成爆闪。所以控制氦闪的核心在于消除太阳中心的简并状态，而这意味着人们要穿透太阳辽阔的热离子外壳，干预到其高度致密高温的核心，目前的技术方向确实没有太好的办法。如果要切实解决这个问题，我们或许需要先研发“智子”。我认为操控氦闪当然是不错的科幻方向，能够掌握和操控氦闪技术，其前提是量子理论和技术有突破性、颠覆性进展，且对大空间尺度的遥感和干预非常成熟，这意味着一系列有趣的事情，比如人们甚至可以干预恒星发展阶段，人为制造或者消除氦闪，甚至直接从恒星聚变汲取能量，将对能源、武器和社会发展产生颠覆性影响。这当然是不错的科幻方向。这里不妨介绍一下地面可控核聚变的备选反应物，一般是两个氢，或者一个氢和一个氦。比如，氘氚（两种氢核）直接反应，点火温度最低，对磁约束要求也较低，但该反应热效率低且带来中子放射性，对设备的防护和热效率提出了很高的要求。氘氘反应的热效率不错，也没有显著的辐射问题，是很不错的备选，但对点火温度和等离子制备技术要求高了一些。而在热效率方面的最优解则是氘核与氦核的聚变反应，不过该反应对温度、密度的要求更高。所以暂时更可行的或许还是折中的氘氘反应。在涉及到宏大时空观的作品中，科幻作者对当下的主力能源往往是不满意的，或者说，人们非常期待颠覆以化学能、电磁能以及核（裂变）能为主导的当下能源。能源从哪里来，追根溯源，我们可能去求索的只有物质和时空。从物质要能量，那最好的是可控核聚变，而从空间本身要能量，那或许就与引力相关。当我看到刘慈欣写出如山般的“重元素聚变发动机”，我就暗暗揣测，这是作者把期许中的（与引力相关的）重力和核聚变，杂糅并投射出的产物。用引力（重力）给核聚变点火或者维持反应，这有点浪漫。重元素聚变是存在于某些天体中的，但该技术能在地球上产生多大真实推力，对板块、生态和大气有什么影响，我觉得这不是有意义的讨论方向，正如对于浪漫的“春风拂槛露华浓”，没有人会从露华有多浓，导致多大pm2.5去做文艺批评一样，那是牛嚼牡丹。重元素聚变发动机是一个意象，构建这个意象的是人们对掌握引力和时空，掌握可控核聚变的深远期许。不得不提一下，小说中聚变发动机的制造进度和技术方案是落后于现实的：我国托克马克磁约束的可控核聚变技术方向远远优于小说中花费漫长时间论证的技术方向，而且按现有时间表，我国的验证聚变堆和工业聚变堆落地，都将远快于小说进度（国际项目ITER的时间表或许更快些，但很可惜的是该项目实际进展比我国的EAST项目缓慢很多；另外，ITER项目中我国专家的工作也较为核心）。科幻落后于现实，这比较罕见，多数时候相反。我认为这不是刘慈欣幻想的不够。二十年前，十二亿人的中国敢幻想第三艘航母的有几个，敢要隐身五代机、矢量发动机的有几个，敢预期可控核聚变遥遥领先其他国家的有几个——约等于零。在能源领域，刘慈欣二十年前所构建的隽永意象，碰撞了二十年后科学工程工作者开拓的辉煌现实，工业如诗。火石是一种科幻设定，大概是因为用核聚变燃烧山脉太过惊世骇俗，需要一个居间过渡。火石大概被设定为需要少量持续的电力维持，以稳定输出高能量给重元素聚变点火，这样的材料至少在我的领域（理论物理）不太好找。不过可以以此为契机，稍微聊聊当下可控核聚变的几种点火原理。让等离子体温度高到足以发生聚变反应，且聚变输出能量大于系统损耗，这就完成了点火。当下比较主流的点火方向是在托克马克环中注入高能等离子体或用某种波（如电磁波、离子波）输入能量，且实现强约束进一步提高密度和温度达到点火条件，这是我国和多数大型国际项目的主流方向。在美国和个别欧洲国家，比较时髦的是用高能激光轰击聚变材料靶点火，这个方向容易达到高温，但对激光提出的要求很严苛且可控性不易满足，也在攻关；我国神光2项目也是激光点火的方式。有些项目中，同样采用类托克马克的方法点火，但磁约束装置不是托克马克环，而是异形环，这类项目在日本、德国和我国某些地方大学都有，比较考验装配精度，但目前进展较慢。这很难预言。挪走人类生存的恒星，听起来匪夷所思，技术上也难以想象，但我愿意保持好奇。也许有那么一天，人们用当代看来更加匪夷所思的方式，把地球挪到另一个更理想的星系，甚至偶尔回来度假考古，这样的想法我觉得不疯狂。多年前人们面对仓库大小的计算机，如果敢于预言计算机的计算核心将微缩成孩子的指甲大小，算力以亿倍为单位爆发增长，那看起来同样疯狂。工业技术路线是客观存在的，也是难以预测的，也许后人会感慨我们眼界低呢？我个人的关注点比较人文。流浪地球是个非常特殊的故事，相比其他科幻或者灾难题材，它更像是一种中华文化的神话情怀在未来的演绎。我第一直观是，这是一个现代的大禹治水，夸父逐日，愚公移山的杂糅。而且并不是凭空的杂糅，故事用自洽的演绎，塑造出能够在逻辑上立得住的未来神话，这在我看来才是真正的硬核。采访人物姓名：于赫夫机构：北京大学职务：研究助理研究方向：数学物理、标准模型和量子引力