有一說(shuō)一，《流浪地球 2》拍得是真好，在史詩(shī)般的敘事和中國(guó)式的正能量面前，漫威滅霸打響指那一套頓時(shí)顯得過(guò)于小兒科、索然無(wú)味了。
不過(guò)，喜歡歸喜歡，既然好話都讓你們給說(shuō)了，作為一名核工程師，咱再錦上添花也沒(méi)啥意思，只好拿上放大鏡吹毛求疵一下，挑挑它的“小毛病”。
友情提示，以下內(nèi)容涉及輕微劇透，還沒(méi)看過(guò)電影的朋友，可以先分享本文到朋友圈，等看完電影后再回來(lái)閱讀。
《流浪地球 2》里的核聚變
有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大劉很喜歡核聚變？《流浪地球 2》的主要設(shè)定幾乎都與核聚變有關(guān)：
太陽(yáng)氦閃就是一種核聚變；
用來(lái)推走地球的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，靠得也是重核聚變，才能產(chǎn)生 150 萬(wàn)億噸的推力，大到只有亞歐大陸和美洲大陸才能承受；
后來(lái)在月球上引爆的 3614 枚核彈，有不少是核聚變?cè)淼臍鋸棧?/p>
關(guān)鍵是，這些核彈還引發(fā)了月球核心的聚變，炸碎了月球，從而拯救了人類(lèi)！
核聚變是多個(gè)較輕的原子核結(jié)合成一個(gè)較重原子核的過(guò)程。
比如，太陽(yáng)上的核聚變，就可以籠統(tǒng)地認(rèn)為是四個(gè)氫原子核聚變成一個(gè)氦 4 原子核（由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子構(gòu)成）。
由于氦 4 原子核的質(zhì)量比四個(gè)氫核加起來(lái)更輕，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量，所以太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變能夠釋放出巨大的能量，使太陽(yáng)持續(xù)不斷地發(fā)出光和熱。
至于后來(lái)的氦閃，則是三個(gè)氦 4 聚變成一個(gè)碳 12 原子核。
核彈中的氫彈以及可控核聚變裝置里發(fā)生的則是氘氚聚變。氘氚也屬于氫元素，但氘核是一個(gè)質(zhì)子加一個(gè)中子，氚核是一個(gè)質(zhì)子加兩個(gè)中子。
氘氚聚變會(huì)形成一個(gè)氦 4 和一個(gè)中子，同樣可以釋放出超級(jí)多的能量，所以氫彈爆炸的威力特別大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了原子彈。
在《流浪地球 2》這一大波核聚變中，最靠譜的當(dāng)屬人類(lèi)制造的那 3000 多枚核彈，是真的能爆炸，貨真價(jià)實(shí)，童叟無(wú)欺。
而行星發(fā)動(dòng)機(jī)的重核聚變和更驚人的月核聚變，用一句話來(lái)形容就是：把上帝搬來(lái)也難做到！
好吧，相信很多人會(huì)認(rèn)為我的腦子被智子給鎖死了（現(xiàn)在《三體》電視劇也很火），但在當(dāng)下的物理規(guī)律下，我只能得出這么個(gè)結(jié)論。
行星發(fā)動(dòng)機(jī)
先來(lái)說(shuō)說(shuō)那 12000 座無(wú)比壯觀的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，如果沒(méi)有它，地球就無(wú)法啟程去流浪。
行星發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該是有史以來(lái)科幻小說(shuō)中描述過(guò)的最強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)了。大劉能想象出這個(gè)東西，電影能把它拍得讓人信服，筆者真的是很佩服！
而在科學(xué)原理方面，行星發(fā)動(dòng)機(jī)基本上也能說(shuō)得通。行星發(fā)動(dòng)機(jī)燃料用的是石頭，石頭里占大頭的成分是硅，硅原子核可以通過(guò)聚變生成鐵原子核，同時(shí)釋放出能量。
那位看官問(wèn)，為什么不用氘氚或者氫來(lái)當(dāng)燃料？這些都可以從海水里提取。原因是行星發(fā)動(dòng)機(jī)的消耗量太大，地球上的海水都不夠燒的…… 所以，還是石頭好，遍地都是，取之不盡，用之不竭。
原著小說(shuō)里沒(méi)有細(xì)說(shuō)行星發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，只提到它的高度達(dá)到了 11 公里，底部直徑達(dá) 50 公里。一輛輛卡車(chē)從進(jìn)料口將石頭倒進(jìn)去，發(fā)動(dòng)機(jī)頂上的噴口會(huì)向上噴出巨大的等離子噴流。
電影《流浪地球》和《流浪地球 2》卻在銀幕上再現(xiàn)了這些巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)，而且細(xì)節(jié)滿滿。筆者推測(cè)，行星發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該源自現(xiàn)在的磁約束可控核聚變裝置，即托卡馬克。
即使是門(mén)檻較低的氘氚聚變，也需要苛刻的條件。這是因?yàn)樵雍硕紟д姡胍l(fā)聚變，需要讓它們靠近到 10-15 米的距離，比一根頭發(fā)絲兒的千億分之一還要小。正所謂同性相斥，原子核所帶的電荷會(huì)在這么短的距離上產(chǎn)生巨大的排斥力。
要想克服這種排斥力，需要極高的溫度才行。在地球上實(shí)現(xiàn)氘氚聚變，需要大約 1 億℃的高溫，甚至比太陽(yáng)中心還要高。
太陽(yáng)中心溫度僅 1500 萬(wàn)℃左右，它能實(shí)現(xiàn)聚變是因?yàn)楹诵牡膲毫μ貏e高，質(zhì)量還特別大，即使溫度低導(dǎo)致聚變發(fā)生概率低，但其巨大的質(zhì)量使得聚變總功率依舊很大。
在 1 億℃的高溫下，沒(méi)有哪種物質(zhì)還能保持固態(tài)，都變成了等離子體，也沒(méi)有哪種材料制成的容器能夠裝下這些等離子體，所以需要用磁場(chǎng)來(lái)約束，不讓等離子體直接接觸容器壁。
托克馬克裝置就將等離子體約束在環(huán)形的真空室內(nèi)進(jìn)行聚變。目前正在建設(shè)的國(guó)際熱核試驗(yàn)堆 ITER 就是一個(gè)托克馬克，能夠?qū)崿F(xiàn)聚變產(chǎn)生能量是輸入能量的 10 倍，但現(xiàn)在還沒(méi)有哪個(gè)可控核聚變裝置能實(shí)現(xiàn)核聚變能量的持續(xù)輸出。
假如行星發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了持續(xù)而可控的硅核聚變，還需要克服一大難題，即如何把能量轉(zhuǎn)化為等離子噴流的動(dòng)量。
現(xiàn)在的托克馬克裝置真空室內(nèi)的燃料密度很低，即使溫度達(dá)到上億度，壓力也不高，目前最高的也只有 2.05 個(gè)大氣壓。就這點(diǎn)兒壓力，想要產(chǎn)生行星發(fā)動(dòng)機(jī)那樣的高速?lài)娏鳎遣豢赡艿摹?/p>
所以行星發(fā)動(dòng)機(jī)必須要實(shí)現(xiàn)極大密度和極高壓力下的核聚變，要想控制這樣的高密度等離子體，需要超乎想象的強(qiáng)大磁場(chǎng)，還不能讓進(jìn)料和噴流破壞等離子體的穩(wěn)定性。這個(gè)難度，以現(xiàn)有的科技能力是想都不敢想的，也許未來(lái)的人類(lèi)能夠做到。
但這種硅核聚變，真的能在地球上實(shí)現(xiàn)嗎？
重核聚變
考慮到行星發(fā)動(dòng)機(jī)燒的是石頭，也就是硅原子核的聚變，這種比較重的原子核聚變，要比氘氚聚變的條件更加苛刻，因?yàn)樵有驍?shù)越大，攜帶的電荷越大，排斥力也就越強(qiáng)。
在太陽(yáng)內(nèi)部 1500 萬(wàn)℃就可以發(fā)生氫核聚變，甚至還可以更低，但要發(fā)生氦閃，也就是從三個(gè)氦 4 聚變成一個(gè)碳 12，則需要 1 億~2 億℃，還得像恒星晚年那樣積累大量的氦 4 才行。
對(duì)于現(xiàn)實(shí)中的太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，這一條件至少還需要幾十億年才能達(dá)成，所以不用擔(dān)心會(huì)像《流浪地球》的設(shè)定那樣，100 年內(nèi)就迎來(lái)太陽(yáng)氦閃危機(jī)。
而要發(fā)生兩個(gè)硅原子核（14 個(gè)質(zhì)子 + 14 個(gè)中子）的聚變，電荷之間的排斥力要比氦聚變大得多，可以想象會(huì)有多難。
比硅的原子序數(shù)小得多的兩個(gè)氧原子核（8 個(gè)質(zhì)子 + 8 個(gè)中子）直接聚變，需要 15 億℃的高溫和每立方米 1000 萬(wàn)噸的高密度才行。
要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)硅原子核的聚變需要多高的條件，這方面的文獻(xiàn)較少，有文章說(shuō)需要 30 億℃，倒是一種合理的推測(cè)。
因此就算是在恒星內(nèi)部，從硅原子核再向更重核的聚變也不是簡(jiǎn)單地把兩個(gè)硅核加起來(lái)，而是要不斷地吸收氦 4 原子核，每吸收一次增加 2 個(gè)原子序數(shù)，一共進(jìn)行 7 次加法，才能聚變到鎳 56 原子核。這個(gè)原子核很不穩(wěn)定，會(huì)很快衰變成鈷 56，再衰變成穩(wěn)定的鐵 56（26 個(gè)質(zhì)子 + 30 個(gè)中子）。
但這樣的過(guò)程我們的太陽(yáng)是實(shí)現(xiàn)不了的，需要質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng) 8 倍的恒星，才能最終產(chǎn)生鐵 56。
也就是說(shuō)，流浪地球中的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，需要模擬比太陽(yáng)還要大幾倍的大質(zhì)量恒星內(nèi)部環(huán)境，才有可能燃燒“石頭”，實(shí)現(xiàn)硅的聚變。但問(wèn)題是，地球上沒(méi)有那么多氦，氦氣資源一直很稀缺的，可不像石頭那么好找。
所以，行星發(fā)動(dòng)機(jī)必須得實(shí)現(xiàn) 15 億~30 億℃的高溫和難以想象的高密度，使硅原子核和氧、鎂，或者它自身去聚變。
這個(gè)條件，你覺(jué)得在地球上能實(shí)現(xiàn)嗎？
就算假設(shè)它真能實(shí)現(xiàn)，接下來(lái)還會(huì)迎來(lái)一盆冷水，那就是 —— 從硅聚變成鐵，并不能釋放出很多能量！
這是因?yàn)椋雍说谋冉Y(jié)合能不同。
比結(jié)合能是把一個(gè)原子核完全拆散成核子，平均每個(gè)核子需要的能量。比結(jié)合能越高，說(shuō)明原子核越穩(wěn)定。
從氫或者氘氚聚變成氦 4，比結(jié)合能增長(zhǎng)極快，因此釋放的能量非常多，但從氦 4 再一路向上聚變到鐵 56，比結(jié)合能增長(zhǎng)很慢，釋放的能量很有限。
為了這部分有限的能量去實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量恒星核心處那樣的極端條件，就算真能夠做到，恐怕也得不償失。
核爆月球
說(shuō)完了“燒石頭”的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，再來(lái)聊聊《流浪地球 2》中的炸毀月球。
這個(gè)腦洞開(kāi)得實(shí)在是大，令人不得不佩服編劇的想象力，畢竟原著小說(shuō)中只是推走了月球而沒(méi)有把它炸掉。
但要炸碎月球，僅靠 3614 枚核彈顯然是不夠的。電影中也提到，這些核彈爆炸產(chǎn)生的能量，只有摧毀月球所需能量的 10 億分之一。因?yàn)樵虑螂m然比地球小得多，卻仍然很大，直徑達(dá)到 3476 公里。即使有上萬(wàn)枚核彈，對(duì)月球來(lái)說(shuō)也只是撓撓癢癢，激起一片塵埃而已。
所以電影中的設(shè)定是，把這些核彈布置在一座巨大的環(huán)形山中組成陣列，通過(guò)精確引爆核彈陣列，引發(fā)月球核心的聚變，繼而炸毀月球。
這些核彈只起到一個(gè)“扳機(jī)”或“引信”的作用，有點(diǎn)兒像氫彈的原理：即用一顆原子彈來(lái)充當(dāng)引信，引發(fā)氘氚的聚變。
但氫彈的引爆過(guò)程中，原子彈并不是直接靠高溫來(lái)引發(fā)聚變，而是利用爆炸時(shí)產(chǎn)生的 X 射線來(lái)壓縮加熱聚變?nèi)剂?，從而達(dá)到核聚變條件。
月球外殼主要也由石頭構(gòu)成，不利于 X 射線的傳播，所以筆者推測(cè)可能是想用核爆產(chǎn)生的沖擊波，實(shí)現(xiàn)對(duì)月球中心點(diǎn)的瞬間壓縮，來(lái)引發(fā)月核聚變。
推理到這兒，一切都還算合理，但接下來(lái)就離譜了。因?yàn)樵虑蚝偷厍蛞粯?，擁有一個(gè)鐵核，即月核的主要成分是鐵 56。
前面說(shuō)過(guò)月球的體積并不算小，比冥王星還大，所以它的內(nèi)部會(huì)發(fā)生元素的分異。在月球誕生初期，內(nèi)部物質(zhì)處于熔融狀態(tài)，因此重的物質(zhì)不斷下沉，輕的物質(zhì)不斷上浮。由于鐵等金屬類(lèi)物質(zhì)比較重，它們會(huì)逐漸向中心“下沉”形成金屬內(nèi)核，主要是鐵，還有少量的硫和鎳。
鐵 56 在宇宙中的名聲極為響亮，它的比結(jié)合能最高，結(jié)構(gòu)比任何其它原子核都要穩(wěn)定（氫除外）。從鐵 56 再向上聚變不會(huì)再釋放能量，而是需要吸收能量，并且需要難以想象的極端條件 —— 例如，在超新星爆發(fā)瞬間大質(zhì)量恒星外殼向內(nèi)坍縮撞擊內(nèi)核時(shí)，或者是兩顆中子星合并時(shí)。
地球上比鐵原子序數(shù)更高的元素，例如金、銀、鈾等，大都是在這種極端條件下形成的。
區(qū)區(qū) 3000 多枚核彈，能夠形成這樣的條件嗎？顯然不能！
即使真的陰差陽(yáng)錯(cuò)，以特別特別小的概率，使某個(gè)點(diǎn)上的一丟丟鐵 56 發(fā)生了聚變，由于這種聚變是吸能反應(yīng)，也不會(huì)產(chǎn)生猛烈的爆炸，核爆沖擊波的能量直接就給吸收了。
有人說(shuō)，月核聚變也可以看作是超新星爆發(fā)，因?yàn)槌滦潜l(fā)前也有鐵核。這種想法是大錯(cuò)特錯(cuò)的。
超新星是大質(zhì)量恒星在壽命末期的一次大爆炸，爆發(fā)原因并不是因?yàn)殍F核聚變，恰恰是由于大質(zhì)量恒星把能聚變的東西都燒完了，剩下的鐵核不聚變了，失去了抵抗引力坍縮的力量，在巨大引力作用下，恒星外殼轟然墜落在內(nèi)部的鐵核上，這才引發(fā)了大爆炸。
因此超新星爆發(fā)的能量來(lái)源是恒星本身的引力勢(shì)能，而不是鐵核的聚變。月球這么小的星球，根本不需要靠聚變?nèi)サ挚挂κ湛s，也就不可能發(fā)生超新星爆發(fā)。
所以說(shuō)，想要炸毀月球？就是把這 3000 多枚核彈交給上帝，他也只能雙手一攤：實(shí)在是做不到呀！
話又說(shuō)回來(lái)，《流浪地球 2》作為一部科幻電影，就是需要腦洞超大的想象力，科學(xué)上有一些不合理的地方在所難免。只要能滿足劇情需要，推動(dòng)劇情發(fā)展，邏輯上講得通就行！
就好像筆者這樣，雖然挑了這么多毛病，在電影院看電影時(shí)仍然興致盎然，看完了還意猶未盡，絕對(duì)稱(chēng)得上是科幻電影的巔峰之作了。
不多說(shuō)了，這就二刷去了！
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：果殼 （ID：Guokr42），作者：人馬座 A
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