如果說《三體》代表了華語科幻小說的最高成就，那《流浪地球》系列電影就是華語科幻電影中目前天花板式的存在了。苦等了這么多年，終于能看到中國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欣賞和品味，那么一部“硬科幻”電影當然離不開一系列科學知識的支撐了，讓我們以《流浪地球2》影片情節為線索，為大家逐個介紹一下撐起整部影片的一個個科學概念吧。

01

月球危機是怎么回事？

之前看過《流浪地球》的同學都知道，因為太陽即將壽終正寢，人類需要為自己的家園尋找下一個正值壯年的“太陽”，由此啟動了頗具悲情色彩的“移山”計劃。給地球安裝上萬臺行星推進器，讓“地球號”飛船啟航。

但是出發前先要解決一個眼前的問題，就是陪伴我們已久的衛星——月球。地—月系統長期以來保持著穩定的運行狀態，月球距離地球的平均距離約38萬公里，長期圍繞地球公轉的月球在地球的引力作用下還形成了潮汐鎖定現象，即月球永遠只有一面對著地球，而地球和它上面的生物也在月球的影響下產生了很多有趣的現象，比如海水的潮汐，甚至雌性動物的生理周期。想要拆散這樣一對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，假設我們決定不管月球，直接讓地球啟程會發生什么？

那我們先看看地球要往哪邊走，如果行進的方向在月球軌道面上或距離近似的話，那么毫無疑問兩個天體很快就會相撞。這時有位聰明的同學搶答了，那垂直于月球軌道面向上跑不是就不會和月球相撞了嗎？沒錯，理論上是這樣，但是給地球加速肯定是個極其緩慢的過程，在這個過程中月球會一直影響著地球，就像一對要分手的情侶，一個說揮揮衣袖說要離開，另一個抱住大腿哭著說你不要走啊！這還能順利流浪么？

所以這兩個方案都行不通，那怎么辦？就像電影里演的，先把月球“請走”。因為地月系統中地球是大天體，月球是小天體，月球圍繞地球公轉，所以讓月球遠離地球還是更容易一些，那要怎么做呢？就涉及到下一個問題了。

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02

引力彈弓效應是什么？

讓月球遠離地球從直覺上說，是不是給月球一個垂直于地球向外的里就可以了呢？實際上并不是，在宇宙間運行的天體，其運行模式主要是受兩個關鍵因素影響，其受到的引力和速度，當圍繞著一個圓心穩定運轉的天體速度增加時，它的軌道就會逐漸遠離它的中心天體，反之亦然。所以，想讓月球遠離地球，就要讓月球加速。

那么怎么加？

僅僅依靠人類給月球安裝的那幾臺衛星發動機加速能力就弱爆了，這時“引力彈弓”閃亮登場了。

引力彈弓是指利用天體引力獲得更大速度的原理。在這里我們先來做一個思想實驗，想象一下我們如果向一面墻用力扔一塊石頭，石頭撞到墻后會彈開，彈開時的速度是多少呢？在理想情況下是和扔過去時相等的，如果這面墻是在面向你做勻速直線運動，這時再扔一塊石頭彈開的速度是多少呢？我們研究發現，彈開時的速度是原來石塊速度加上墻面運動速度的兩倍之和。

我們總結成規則就是兩個物體發生彈性碰撞前后的相對速度不變。這其實就是引力彈弓加速原理的基礎，但是可以利用天體引力替代彈性碰撞的效果。

蘇聯科學家尤里·康德拉圖克在20世紀初提出了這個設想，人造航天器可以通過精密的軌道計算，故意接近大質量天體，這樣就可以利用其巨大的天體引力進行加速，這樣可以獲得遠遠超過發動機所能提供的加速能力。

事實上，在人類航天史上已經多次利用過這個原理，1977年發射的旅行者一號就是依次利用了太陽系其他天體的引力彈弓效應飛離的太陽系，我們中國航天的嫦娥五號探測器和天問一號火星探測器都利用了引力彈弓效應進行加速。所以利用了引力彈弓效應的軌道又被稱為“星際高速公路”。

這不是挺好的一個結果么？電影中的人類也是這么計劃的，他們就通過安裝在月球上的衛星發動機讓月球的軌道近地點逐漸接近地球，在合適的時機讓月球突然加速從而遠離地球。如果真的如計劃安排的這樣進行也就不會引發月球危機了。月球危機的根源就來自于地月關系突破了“洛希極限”。

03

洛希極限是什么？

說到這里，先讓我們回顧一下恒星以及行星形成的過程。一般來說，這些天體在誕生前都是在一片混沌的星云當中，星云中物質分布并不完全均勻，于是稠密一些的部分就逐漸吸引周圍的物質向他靠攏，物質逐漸聚攏而形成了這些天體。由此我們可以看出， 維系一個質量相對較大、已經基本形成球狀的天體的物質存在的根源就在于天體中心所提供的引力足夠大，可以拉得住周圍的物質聚攏在它身邊。

這時如果在這個天體附近再出現一個大質量天體會發生什么？如果它們里的足夠近，強大的引力就會讓小質量天體表面物質受到自身天體的引力小于外部天體的引力，這時小質量天體將會被大質量天體的引力而撕碎。

洛希極限并不只存在于理論計算中，我們太陽系內的鄰居——土星，其光環就是因為曾經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其根源就是因為某些原因月球離地球太近而突破了洛希極限。

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04

量子計算機真的無所不能？

擁有自我意識的量子計算機550系列在電影中是個非常搶眼的角色，那么量子計算機真的可以像電影中表現的那樣無所不能甚至會產生自我意識嗎？

其實我們國家現在已經擁有了“九章”量子計算機，量子計算機是指利用量子力學規律進行高速運算的設備，其算法與我們目前的傳統計算機不同，需要利用量子算法。理論上量子計算機可以依靠其遠遠超過傳統計算機的運行速度解決我們目前面臨的很多難題，例如復雜的氣象預測，核反應等。

但是否能真正解決這些問題還面臨著很多困難。首先，人類目前對量子計算機的研究還處于較為初級的實驗階段，其次解決這些復雜問題也不能僅依靠量子計算機超強的運算能力，還需要其他技術的匹配支持，例如需要更先進的傳感器技術獲取更多數據來源以建立更準確的數據模型等。所以“量子計算機”雖然非常強大，但并不是人類解決未來各種問題的救世主，“無所不能”這個詞確實夸大了它的作用。

至于自我意識的問題就更為復雜了，至今科學界對“自我意識”形成準確的概念定義，也沒有徹底了解“自我意識”的本質。目前較為普遍的認識是“自我意識”是高級生命體所特有的，雖然現在人工智能、機器學習、神經網絡等計算機技術不斷涌現，但我相信在生活中體驗過所謂“人工智能”產品的朋友們都會感受到，它們似乎并不那么“智能”。

不論是從信息技術、制造技術乃至更底層的材料學等任何領域來看，擔心計算機產生自我意識都還為時過早。

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什么是莫比烏斯帶？

它在生活中有哪些應用？

電影中還有一個細節被很多細心的觀眾注意到了，那就是科學家馬兆在執行任務前留下的遺囑，就是一個莫比烏斯帶。

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

那么這么簡單的一個結構有什么奇特之處呢？它的奇妙之處在于我們如果沿著這條莫比烏斯帶畫一條線，這條線可以不經過紙帶的邊緣而遍歷紙帶的每一個面，它的起點也是終點，可以不斷循環永無止境，這個特性給我們的科學家和藝術家們以無窮的啟發。

莫比烏斯帶的特性也有很強的現實意義，最常見的就是傳動系統中的皮帶結構。傳統的傳動皮帶內側因為一直與傳動軸摩擦會更容易磨損，如果將傳動皮帶的結構設計為莫比烏斯帶的方式就相當于讓皮帶的每個面均勻的接受磨損，大大增加了皮帶的壽命。

來源: 科學辟謠

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