我必须坦白，《流浪地球2》里炸掉月球那场戏，是我干的

本文来自微信公众号： 格致论道讲坛 ，作者：梁文杰，原文标题：《我必须坦白，《流浪地球2》里炸掉月球那场戏，是我干的 | 梁文杰》

大家好，我是来自中国科学院物理研究所的梁文杰，接下来我会带大家漫游在物理世界里。

物理是很大的学科，当中有很多很多的门类。其中有一个门类叫纳米的物理。在纳米的物理中又有一小部分是纳米电子学和纳米材料，我的研究方向就在这个领域。

我今天带来的题目是《漫游在纳米世界的奇境里》，这里面有很多很多好玩的事情。

如何科学引爆月球

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我平常就在附近不远的中国科学院物理研究所进行研究工作，研究一些很小的、很好玩、很新奇的，大家都没见过的一些物理科学实验。

同时作为中国科学院的科学家，也要负一些社会责任，比如传播一些科学知识，分享一下我们在研究当中对世界的感受、对科学的感受，把我们的热情也传递给大家。

因此我就参与了一些科学传播工作，到各个地方去做演讲。其中传播面最大的当然就是影视作品，在2020年1月的时候，我参与了《三体》电视剧的一些工作。可以看到下面这张图的“某某”剧组打上了马赛克，因为当时是保密项目。

后来还参与了《流浪地球2》的一些工作。我在这个项目里做什么呢？我是科学顾问，就是要把一些科学的幻想落到实地，给它一些科学的背书，给出一些科学解释。同时我们也利用这个非常宏大的平台，把一些科学知识传递出去。

那个时候我做了很多很多设定，写了很多很多手稿，修改了电影里一些不合理的设定，并把一些基本概念变得靠谱。

▲设定手稿（滑动查看更多）

再过几年你们还会感受到这部电影对大家的一些影响力，因为我们把一些科学进展植入了电影里。

在这部电影里有很多内容，其中一件就是月球被炸掉了。我必须要坦白，这件事是我干的。

当时他们说我们要做一件事情——要把月球去掉。我问为什么要这样做？月球清除后就没中秋节过了，我还想吃月饼。但基于科学设定，月球必须要清除。

可是从物理上来说，原来提出的很多方法是不可靠的，于是我提出了一个比较好玩的方法——用重核聚变把它炸掉。最后场景效果也是比较好看的。

在设定电影科学概念这里，我们实际上既痛苦又开心。痛苦是因为要把一些不靠谱的科幻概念变成靠谱的物理概念，实际上里面有很多的交流和妥协。但另一方面，我们通过这种方式把一些包括相控阵和纳米科学的知识传递给大家，又是一个非常开心的过程。

比如这里边有一个非常重要的场景跟纳米科学相关，就是所谓的太空电梯。你们可能看过电影，其中有一段空间站坠落的剧情，可以看到空间站是通过跟地面上由很多缆绳组成的电梯来连接的。

但大家可能想，你是做纳米科学的，听说纳米很小，这太空电梯又很大，这俩当中有什么样的联系呢？

这个问题问到我的时候，实际上我特别感慨。因为我当年走进纳米世界、走进纳米科学的引子就是太空电梯。说到这你可能问，这里面最重要的科学问题是啥？

寻找太空电梯缆绳

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平常说我们要宇航，我们要建立太空站，这些设施都是在很高的天空中，只有离地面非常遥远，才能靠我们的离心力保证它不掉下来。因为在天上，所以要坐火箭上去，但化学火箭是非常费能量的一种装置。另外一种方式是在天上的同步轨道建一个太空站，中间用一些电梯一样的设施上下连接，这样相比火箭会非常节省能量。

另一方面，如果采用太空电梯的话，可以建一个非常大的太空站，不像现在就只是几间房子的大小。另外，我们从这么高的地方再往外去进行宇航探索的时候，要克服的困难要小很多。

这是一个非常美丽且迷人的想法，但其中有一个致命的问题——地球所带来的离心力。空间站要跟地球同步转动，所以它一定要在36000公里之外。从36000公里外甩一根绳子下来，就算是自然界中最坚硬的材料之一——钢铁，在这种情况下也会因为自重的原因自己拉断，因为强度不够。

如果自然界当中最最钢硬的材料都无法实现这个性能的话，这个想法就完蛋了。后来怎么办呢？

1991年，人们发明了一种东西，叫做碳纳米管。碳纳米管是一个纳米级的材料，你可以把它看成一种纳米的金刚石。金刚石是我们自然界中最钢硬的材料，它非常坚硬。你拿金刚石去划任何东西，它都不会受损。如果要把金刚石的原子排列成一个管子的形状，它的抗拉强度就会变得非常大。

大到多大呢，是钢铁的200倍。同等力度下，在钢铁被拉断的时候，碳纳米管是不会断的。而它的密度又是钢铁的1/6。所以说碳纳米管的自重很小而强度很大。

人们算了一下，如果用这样的材料通天贯地，就可以实现太空站跟地面的连接。这个想法挺好，我也是因为这个原因进到纳米领域当中的。

这里面要解决一个更关键的问题——我要建一个完美的纳米管。从左边这张图可以看到，纳米管实际上是一些原子组装成一个管状的结构，然后从底端不断堆积生长，上面管子就长出来了。它的直径是一个纳米。

▲太空电梯缆绳的关键：超长碳纳米管的生长

要保证环境特别稳定，才能把这管子做成36000公里的长度，这就非常难。你可以类比垒积木：垒十块积木很容易，垒一百块积木行不行？很难。

我在读研究生的时候就跟中国科学家研究碳纳米管，去帮助他们做一件事情：把这个纳米级的材料长到了几百微米，差不多一个毫米的量级。

这张图看起来好像是一些大厦，但实际上是微观的图谱：这是一些矩阵的碳纳米管，它们自己排列好的，彼此辅助着一块生长，这时候就会长得比较稳定。

但即使这样也长不到一厘米。当然到现在，中国的科学家已经把这个材料能够长到一米的量级了。

这个视频是我以前的合作者，他一直在研究超长碳纳米管的生长。可以看到他好像拿着一个轻纱，但这实际上不是轻纱，这是碳纳米管的丝。

它是从一个地方上像蚕茧一样抽出来的丝。当然这不是一个碳纳米管，可以看到这是好几米长，由碳纳米管互相连接的。

我们也试图把碳纳米管搞成绳索，但依然还不太够。

但碳纳米管绳索这个概念实际上运用到了《三体》里边。在《三体》电视剧第29集的时候，有个名叫“古筝计划”的代号行动，用拦在河道的纳米飞刃破坏掉了ETO的船。这所谓的纳米飞刃实际上就是纳米管。碳纳米管很钢硬，尺寸又比我们所有的刀片要薄，是最锐利的材料，可以无声无息地切断所有其他物质。

这个时候导演说：“我要一个非常漂亮的制造装置，要bilingbiling放光的；我还要写满黑板的科学公式的推导，像星际穿越一样。”

于是他就得到了这个。

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我把我所有的对稳定碳纳米管生长的梦想和期望都放在这里边：包含了偏微分方程、材料的制备、催化剂的制备、气体动力学的研究、电磁场的控制、力学强度的估计。

洋洋洒洒写了很多，我得到了一个回复：“虽然我看不懂，但是能看懂的人都被深深地震撼了，同时也影响了大量看不懂的人想去看懂，和您在一起传播这些有价值的能量是我的荣幸。”

这个想法最终也没有放到电视剧里边，我挺遗憾，但也有所得。我得到了什么？我给他画了一张图，告诉他如果你要设置场景，怎么样把这个船割碎。他说这个我看懂了。

然后我得到了一个画面：“他们正在执行你的计划”。我感到很开心。这句话虽然只是一句台词，不是针对我的，但是我觉得还是很荣幸，毕竟我把一些科学知识传递了出去。

说到这里的时候，我们要讲一下什么是纳米。纳米实际上是尺度，千分之一米就是一毫米；千分之一毫米是一微米；千分之一微米是一个纳米。

如果我要把一米当成一个纳米算的话，那换算完的一米有多长呢？是地月之间距离的3倍。你可以想象这个尺寸有多大。

有句哲学道理——量变导致质变，如果米到纳米有这么大量变的话，它一定会有一些特别奇怪、特别新奇的现象。就像爱丽丝这个小朋友跟着一只小白兔，来到了一个非常神奇的世界里面，各种事都是新鲜的，各种事情都是从来没见过的。

我因为碳纳米管，也就进入到这个神奇的微观领域当中。

进入纳米世界

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那么纳米级别有些什么样的特性呢？它确实不一样，我举几个例子。比如光学宏观下一个材料能发出的光线有一个固定的颜色。但如果你到纳米尺度下，就像这张图，它根据底下这一排不同粒径的大小，显示出的颜色、发出的光线就不一样。人们可以用这个性质做量子点电视机。

▲具有不同发光能力的纳米级材料

另外大家都熟悉金子。金子是什么颜色？它是有特征的颜色，金色的。但如果把它变成纳米，就像底下那些不同颗粒大小的时候，它的溶液会变成红色。你们谁见过金子是红色的？纳米级别的金子就是红色的。

有些材料在纳米尺度下，它的力学性能也不一样，电学性能也不一样，光学性能全都不一样。那么人们利用纳米技术能做出什么样的改变呢？

如果我们把一些晶体管或电子器件，从很大的变成很小的，那就可以把一个计算机里的几百个元件一下变到几亿个。

现在你们手机里芯片的元器件都在几亿个量级上。我们把尺寸不断地缩小、元件密度逐渐增大之后，就会得到这样的结果。这样的一个芯片，它的晶圆是可以越做越大的，但每一个芯片的大小是越来越小的。

那什么是芯片呢，我们可以把芯片比喻成身边的一个城市。每天交通工具把人群送到这个城市的每个地方，而这样的人流流动，决定了我们城市的功能，决定了我们城市的繁华程度，决定了我们城市的面貌，决定了我们城市的文化。

那同样，一个芯片里边最重要的就是信息流动，它的流动在里面产生了不同功能。这些流动的基础是什么呢？就是晶体管，我们可以把它比喻成控制交通的十字路口，十字路口的红绿灯决定了我们的人流、车流的流动。而晶体管里面的电压实际上决定了里面信息的流动。

右边是一个示意图，上面红色部分就是电子的“红绿灯”，绿色部分是等待流通的信息。如果要改变“红绿灯”的颜色，也就是改变电压的时候，它就可以控制信息的流动。

通过这种方式，我们可以得到很多的功能。如果我们希望它的计算能力越强，计算速度越快，那需要怎样改变呢？

看看十字路口就知道，如果我把十字路口变小的话，就能够运行得更快，需要的能量更少，需要的时间也更短。且在同样的体积下，我可以放入更多这样信息控制的窗口。因此我们现在信息的器件在不断地缩小。

下面这张图横轴是时间，纵轴可以把它看成信息密度或者器件的密度。这里表示每一级时它的器件大小，可以看到它已经进入到纳米级别。当然这只是一些商业的指标，这些指标并不真正代表物理的一些含义。

但有个问题，如果我们现在把器件做得越来越小，它的结构也就越来越复杂。比如右边是一个器件的剖面图，它有很多连接层。那么在每一个器件都在最底部的时候，想控制底部器件的操作，器件的电压就可能关不住了，这叫“短沟道效应”。

红绿灯如果管不住交通的话，我们整个城市的功能就混乱了。现在的电子工业、信息工业面临的问题就在这，我无法控制它在更小尺度上的操纵行为。

第二个问题，你们听说过一个词叫做“量子效应”吧。量子效应在小尺度下才会出现，而如果我们的器件到了纳米级别的时候，它就会产生很多量子效应，那原来的功能就可能会失败了，因为我们原来的功能都是基于大尺度的经典效应。

比如说我做一些金属电极，金属电极在大尺度下是稳定的，到小尺度下它可能就自己熔化掉了，没法建立各种连接。另外，如果尺度很小，不同电路之间就会产生互相的耦合，比如电容耦合、电感耦合，这些效应会导致我们的功能失败。

对于这件事纳米科学家可以做些什么呢？我实际上就做这样的事情，我做了纳米电子学的研究。

用纳米电子学的方向研究这个器件一旦到纳米级别的时候，它有着什么性能。比如碳纳米管你可以认为是世界上最小的电缆和电线，那我把碳纳米管做成一个晶体管的样子。

▲一个碳纳米管做的晶体管

但我发现如果把它做到纳米级别的时候，里边的电子之间互相的排斥力非常大，它们彼此不相融。当我放入一个电子的时候，第二个电子就不允许进来，因为有电子和电子的相斥作用。

这样我就发现哪怕是金属性的碳纳米管，它也有些开关作用。大家可以看到，中间有一些像开关的操作，这里有通的，有断的，我可以一个一个数出这个电子的状态。

▲电子数目不同导致的振荡

还可以把这些电子按照不同的能量排列起来，研究每一个电子波所具有的性能，每一个脾气怎么样。这就比我们平常说的开关这两种状态要丰富的多，我可以从中提取更多的信息。

并且我把它做到纳米级别的时候，我发现电子的波动性就展现出来了。它像水波一样产生了干涉，这种干涉导致了左图当中电导的不断涨落现象。在固体里面，波动性变成了一种器件的性能。

我非常享受纳米的研究过程，也能够通过研究不断地得到一些新现象，获得一些新知识。当然也有很多失败的场景，但是我在这里面不断钻研，终究能获得一些成功。

那后面更深入的工作就是，如何能够实现世界上最小的晶体管？

如果我把晶体管缩放到最小尺度下，能得到什么东西？我就试着冲刺人类历史的极限，用一个分子做成晶体管。

我做到了吗？我确实把一个分子放在了两个电极之间，在这里面我发现了什么？

电子和分子的轨道会产生心心相映的共振，只有电子和分子的轨道具有相同属性的时候，电子才能传输过去；如果它们之间互相排斥，互相不相融，电子就会被阻碍。

我还发现，电极里的电子和分子里的电子只有在“手拉手”的时候，才会出现右上图的那条黄线，这条黄线就是它的导电峰，这是电子和电子的关联作用。而如果想让电子一个一个的过去，是绝对不可能的。

来自底层的大空间

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我还发现如果要把两个分子靠得非常近的时候，在纳米电子学、分子电子学尺度下，会产生轨道的纠连，会产生很多轨道的相干效应。

因此我和其他人一起建立了一个分子电子学的领域。这不是我自己的独创，但我在这个领域当中，做出了比较重要的贡献。我们可以研究极限尺度下的晶体管的性能；可以研究受限体积下它的传输现象；可以研究物理过程和化学过程。这是我在纳米领域当中非常享受的第三个部分。

那么总体来说，我利用诺贝尔奖获得者费曼的一个说法：“在底层尺度有非常大的空间。”

如果我们能够把原子、分子好好地排列起来，按照我们的方式控制它，就会实现很多很多的功能，出现很多很多的新奇现象。

▲纳米领域成果（滑动查看更多）

未来纳米机械的演化会怎么样？很难想象。我们可以认为人类的演化是从有机的分子变成有机的基团，变成一些单细胞的生命，再变成一些器官，最后变成演化。这总共用了40亿年的历程。

如果我们能够把这些原子好好地排列，变成分子，变成人工的结构，变成人工的器件、人工的组件，最后就有可能变成一个纳米机器人的世界。这些东西有可能怎么样影响我们的未来呢？或者说它会对我们的生命、对我们的想象力有怎样的影响呢？

▲纳米制造的世界

我们可以想象，在下一部电影里面，说不定有纳米做成的机器人，可以成功地修复我们每天的疲劳，我不再需要休息；可以恢复我的伤痛，我不需要再去医院做手术，纳米机器人在我身体里就可以修复我的机能，甚至可以治疗很多现在的疑难杂症。

另一方面，纳米器件所构成的信息网络，有可能使我们具有超大的计算能力和全域的信息掌控能力。全世界信息都在我的眼前，我就有更多的改变世界的可能。

有可能在我们未知的地方，比如说月球的背面，生成一个纳米机器的文明和我们人类文明的交互。

这是一个更加开放的话题，这些内容可能需要大家去探索。

谢谢大家！