太空电梯真的有人研究开发

明敏 Alex 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

你以为的《流浪地球2》——科幻片；

不，背后全是真科技，有人研究、有人开发的那种。

太空电梯效果震不震撼？只是个脑洞？

但这其实是一些物理科学家的正经课题，研究了快20年的那种。

还有日本公司已经开始开发，计划2025年左右于赤道附近的海上开工。

电影中出现的外骨骼机器人，甚至都能拿出来抽奖了：

还有推动地球的行星发动机，它依靠重核聚变提供能量。

而现实世界里，1个月前人类才刚刚实现了可控核聚变研究的一项新里程碑研究——实现净能量增益，让核聚变产生的能量比注入的还要多。

可能不少人看完《流浪地球2》都会想：这真的能实现吗？

但真实世界里，很多科技点早就走在路上了。

哪些科技正在现实中推进？

首先来看视觉效果燃爆了的太空电梯。

按照设想，太空电梯将通过缆绳连接地面和空间站，成为一个太空运输基础设施。

一旦成真，这意味着人类往返太空的成本将大大降低，而且还能更方便完成航天探索、清理太空垃圾甚至是太空旅行。

△《流浪地球 2》

其概念提出可以追溯到1960年。1975年，科学家就对太空电梯进行了第一次工程分析，结果证明所需电梯缆绳材料的比强度，是当时任何材料都无法实现的。比强度是指材料的强度和密度之比。

按照目前的估计，太空电梯的缆绳材料的比强度应该至少是钢铁的50倍。

△《流浪地球 2》

现如今，有很多学者在探索这一领域，加拿大瓦尼尔学院的物理学家斯蒂芬·科恩（Stephen Cohen）正是其中之一。他表示自己投身太空电梯研究已经快20年了。

斯蒂芬对太空电梯的动力学、缆绳形态等方面做了理论研究，在他的影响下，还有学生开发了能模拟太空电梯操作员进入太空的软件。

△截取自斯蒂芬论文

实际落地方面，日本大林组公司是代表之一。

他们于2012年正式启动太空电梯项目，拟耗资100亿美元，打造一个缆绳长约9.6万公里的升降机，可以穿过大气层在地表和太空中运送物资和人。

△《流浪地球 2》

目前他们正在进行缆绳材料的试验验证。此前已经验证了强度是钢铁数十倍的CNT（碳纳米管），长期置于大气层中，会被原子状态的氧破坏。

不过CNT不会受到辐射影响，而且原子状态氧只存在于地表上空约500公里内的大气层中，所以大林组工程师表示，可以在更高处使用CNT。

2021年，他们开始尝试在CNT外面加上金属和硅进行保护。

按照计划，大林组的太空电梯将在2025年左右动工，缆绳预计在2030年建造。太空电梯将从重力和离心力相互平衡的3.6万公里处开始上升，完成缆绳的建设后，将用大约1年的时间建设宇宙空间站，最快在2050年投入运行。

利用电能，升降机将能以200公里时速移动，轿厢总长度约144米，定员30人。

△《流浪地球 2》

另一个科幻片常见元素——宇航员休眠，其实也是如今医学界重点关注的领域之一。

代表性事件是马里兰大学医学院已经实现了让患者处于“假死”状态，延长人体创伤修复的窗口期，为手术抢救最多争取1小时时间。

通过用冰生理盐水给人体降温，研究人员成功将患者体温控制在了10℃以下，减缓人体新陈代谢的速度，并且在恢复正常后不对人体造成明显影响。

这意味着，通过低温我们有机会让人体进入“待机”模式，减少对能量的需要，同时为长途太空旅行创造机会。

比如从地球去土星就需要5年左右时间。这一过程会对人体造成很大危害，比如太空辐射、失重、长时间生活在密闭空间等。

欧洲航天局的科学家Jennifer Ngo-Anh表示，基于动物研究，已经可以验证冬眠能最大限度减少这些危害。

加拿大公司SpaceWorks Enterprises此前获得了NASA的资助，尝试开发一种“合成休眠（synthetic torpor）”的方法，理论上能让宇航员实现长达14天的休眠。

△来源SpaceWorks Enterprises

而更接近于现实的，还是被大家称作是电影隐藏主角的MOSS。

△《流浪地球 2》

其底层技术量子计算机研发，咱们人类已经完成了第一阶段：实现量子优越性。

如IBM、谷歌、微软等科技巨头，都在加速推进量子计算研究。

谷歌号称最早在量子计算机“悬铃木”上实现了量子优越，并在加州圣巴巴拉分校建立了谷歌量子AI实验室。

△谷歌量子AI实验室园区内

IBM目前在全球已经拥有20多台量子计算机。去年11月，IBM号称造出了迄今全球最大量子计算机“鱼鹰”（Osprey），拥有433个量子比特。

国内，中科院潘建伟团队是量子计算的代表。他们先后在量子计算机“九章”、“祖冲之号”上实现量子优越性。

商业公司中，如阿里巴巴达摩院量子实验室，也成功设计并制造出两比特量子芯片，实现了单比特操控精度99.97%，两比特iSWAP门操控精度最高达99.72%。

相关数据显示，到2031年左右，有将近8000亿的市场规模将会直接与量子计算相关，全球70%的企业想在这方面做一些布局。

以谷歌、霍尼韦尔为代表的积极投入下，量子计算进入到探索如何解决实际应用中高难问题的NISQ阶段。国内以百度、图灵量子等机构则正在探索实际场景中的落地应用。

可以说量子计算落地已只差临门一脚了。

除此之外，电影中也多次cue到了核聚变。

无论是炸掉月球，还是行星发动机，基于的原理都是核聚变。

从当下来看，可控核聚变仍旧是难以攻克的难题，但是前景十分可观。

加上如今人类实现了核聚变净能量增益，让聚变反应产生的能量，比注入的能量还多，能量增益达150%，可以说是离“人造太阳”更近一步了。

由于核聚变的主要燃料是氢的同位素氘和氚，几乎不产生碳排放，产生的长效放射性废料也少得多。从理论上讲，一小杯氢燃料就足以给一栋房子供电数百年。

之前的研究表明，海洋含有数亿吨的氘，如果当核聚变发电成真，仅一升的海水，就能产生相当于300升汽油的能量。

而氚虽然本身比较罕见，但能通过自然界中极为丰富的锂元素来反应获得，比较容易操作。

去年1月，被称为中国“人造太阳”的EAST运行时间首次突破4位数，实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。

英国牛津的核聚变技术First Light Fusion 打造的超高速炮。可以用每秒6.5公里的速度（19倍音速）向燃料靶发射弹丸，从而引爆核聚变。

这整个过程只花了不到4500万英镑，与传统的激光和磁性约束装置相比，成本是它们的千分之一。

与此同时，可控核聚变商业化也备受关注起来，如腾讯、米哈游等公司都开始投资。

最后要说的，则是让人感到有些细思极恐的数字生命了。

它将人的意识植入到机器中，并依靠超强算力的量子计算机，实现了“永生”。

现在的技术，已经在尝试将人类或动物大脑和计算机相连，建立一种不依赖于常规大脑信息输出的通路——即脑机接口。

比如意念打字、缸中之脑等，都多次引发热议。

马斯克也表示已经把自己的大脑上传到云端，还要和虚拟版的自己成为伙伴。而电影里，刘德华饰演的图恒宇，最后就把丫丫的大脑数据上传到了550W上……

如上几方面，就是电影中科幻照进现实非常代表性的几个方面。

有的已经离应用落地不远，有的还需要多年探索。

制作过程科技浓度也超高

回归电影本身的制作过程，更是一场科技盛宴。

比较为人熟知的是制作组利用AI对李雪健老师的声音进行修复。

李雪健今年已经68岁，因为鼻咽癌，声带和听力都受到影响，在预告里能明显看出老人家说话很吃力、含糊不清。

但“小破球”制作组解决了这个问题：他们用AI修复了李雪健的原声，台词句句清晰且铿锵有力；协助这位老戏骨再度献上神级表演。

这也得到了网友们的连连称赞：

此外，AI的应用还体现在角色换脸上。

由于电影内容贯穿主演几十年的变化，所以制作组通过Deepfake给演员换脸，实现了年龄上的跨越。

导演郭帆和up主@影视飓风介绍说，人的面部随着年龄变化，不仅仅是增加了皱纹，骨骼也会发生改变，靠化妆加上简单的后期晕染，效果可能不够自然。

在预算等因素的限制下（不愧是小破球），最终他们启用了基于Deepfake开源算法二次开发的方案，用目标演员的海量素材训练AI，来替换拍摄素材。

最后，AI在不同镜头下，帮制作组完成三成到七成的工作；剩下的则靠人工手动调节完成。据片方人员介绍，这样省事省力又省钱。

这边用技术“以假乱真”，另一边，在很多我们以为是“假”的地方上，制作组用的却是真家伙。

比如开头提的外骨骼机器人，就是机器人科技公司傲鲨智能的产品。

傲鲨智能表示，现实版外骨骼已在多个场景中落地，而且全身外骨骼已在小批量生产，后续将推出民用产品。

而电影中的挖掘机、起重机等，是徐工集团专门根据导演组要求，用自家机器改装出来的。

△图源：微博@国资小新；左为现实版，右为电影版

还有出镜率超高的各种移动机器人，也都是实际产品，由优艾智合机器人提供。

除了各方技术支持外，《流浪地球2》的科学顾问也是天团级别——直接找到中科院的大佬们。

据悉，这些受邀的科学家涉及多个领域，他们分为理论物理、天文、地球科学、人工智能、基础材料、航空航天等组别。

比如最近手绘《流浪地球2》科普的中科院计算技术研究所研究员王元卓，就是顾问之一。

△图源：微博@王元卓

在他们的支持下，影片中数字生命部分电脑上的代码、图恒宇家里墙壁上的公式，都是真的。

以及月球核爆用相控阵来实现，据说也是中科院物理所大大们手推公式验证过的……

就连科学家们的生活习惯，制作组都“力求还原”，甚至半夜给顾问大佬打电话：

如果两个顶级科学家一起坐电梯，他们会聊点啥？

One More Thing

不得不说，三个小时的电影，彩蛋盘点至少得看好几天。

就连刘慈欣走出影院都得说一句：每次都能发现新细节。

电影中的很多科幻元素，取材于大刘的不同作品。

太空电梯是和《三体》原著的联动；在月球上布设核弹的情节《吞食者》中就有出现，不过在这部作品中月球只是被推走了，没有炸掉。

数字生命的概念联动，则来自大刘从未出版的科幻处女作《中国2185》。

这部小说构建了一个2185年的世界，那时社会老龄化问题严重，老人（100岁+）可以保留电子化的大脑思维生活在数码世界里，实现“永生”。

更耐人寻味的是，这本书中提及的许多概念，都和当下的真实生活有所对应。

比如万物互联——互联网/物联网；备份记忆——数据备份；病毒原理式信息武器——逻辑炸弹；CPU计算硬件资源的分配与争夺——算力资源紧张……

如果是现在翻看，恐怕难以辨认这到底是科幻作品还是现实小说了。

不过，也不是没有“破绽”——因为《中国2185》的世界里，结婚离婚还要插磁盘。

但这情有可原，毕竟作品的最后一句话是：

1989.2.15 于娘子关。

参考链接：
[1]https://theengineerspulse.blogspot.com/p/space-elevator.html
[2]https://voices.vaniercollege.qc.ca/vanier-researcher-profile-stephen-cohen/
[3]https://www.keguanjp.com/kgjp_keji/kgjp_kj_sea/pt20211012000004.html
[4]https://www.cnet.com/science/biology/features/chasing-ghosts-unlocking-the-mysteries-of-human-hibernation/
[5]https://www.163.com/dy/article/HRENDQP505532V1M.html
[6]https://www.bilibili.com/video/BV1x84y1j7Zn/?