本文來自微信公眾號： 格致論道講壇 ，作者：梁文杰，原文標題：《我必須坦白，《流浪地球2》里炸掉月球那場戲，是我干的 | 梁文杰》

大家好，我是來自中國科學院物理研究所的梁文杰，接下來我會帶大家漫游在物理世界里。

物理是很大的學科，當中有很多很多的門類。其中有一個門類叫納米的物理。在納米的物理中又有一小部分是納米電子學和納米材料，我的研究方向就在這個領域。

我今天帶來的題目是《漫游在納米世界的奇境里》，這里面有很多很多好玩的事情。

如何科學引爆月球

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我平常就在附近不遠的中國科學院物理研究所進行研究工作，研究一些很小的、很好玩、很新奇的，大家都沒見過的一些物理科學實驗。

同時作為中國科學院的科學家，也要負一些社會責任，比如傳播一些科學知識，分享一下我們在研究當中對世界的感受、對科學的感受，把我們的熱情也傳遞給大家。

因此我就參與了一些科學傳播工作，到各個地方去做演講。其中傳播面最大的當然就是影視作品，在2020年1月的時候，我參與了《三體》電視劇的一些工作。可以看到下面這張圖的“某某”劇組打上了馬賽克，因為當時是保密項目。

后來還參與了《流浪地球2》的一些工作。我在這個項目里做什么呢？我是科學顧問，就是要把一些科學的幻想落到實地，給它一些科學的背書，給出一些科學解釋。同時我們也利用這個非常宏大的平臺，把一些科學知識傳遞出去。

那個時候我做了很多很多設定，寫了很多很多手稿，修改了電影里一些不合理的設定，并把一些基本概念變得靠譜。

▲設定手稿（滑動查看更多）

再過幾年你們還會感受到這部電影對大家的一些影響力，因為我們把一些科學進展植入了電影里。

在這部電影里有很多內(nèi)容，其中一件就是月球被炸掉了。我必須要坦白，這件事是我干的。

當時他們說我們要做一件事情——要把月球去掉。我問為什么要這樣做？月球清除后就沒中秋節(jié)過了，我還想吃月餅。但基于科學設定，月球必須要清除。

可是從物理上來說，原來提出的很多方法是不可靠的，于是我提出了一個比較好玩的方法——用重核聚變把它炸掉。最后場景效果也是比較好看的。

在設定電影科學概念這里，我們實際上既痛苦又開心。痛苦是因為要把一些不靠譜的科幻概念變成靠譜的物理概念，實際上里面有很多的交流和妥協(xié)。但另一方面，我們通過這種方式把一些包括相控陣和納米科學的知識傳遞給大家，又是一個非常開心的過程。

比如這里邊有一個非常重要的場景跟納米科學相關，就是所謂的太空電梯。你們可能看過電影，其中有一段空間站墜落的劇情，可以看到空間站是通過跟地面上由很多纜繩組成的電梯來連接的。

但大家可能想，你是做納米科學的，聽說納米很小，這太空電梯又很大，這倆當中有什么樣的聯(lián)系呢？

這個問題問到我的時候，實際上我特別感慨。因為我當年走進納米世界、走進納米科學的引子就是太空電梯。說到這你可能問，這里面最重要的科學問題是啥？

尋找太空電梯纜繩

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平常說我們要宇航，我們要建立太空站，這些設施都是在很高的天空中，只有離地面非常遙遠，才能靠我們的離心力保證它不掉下來。因為在天上，所以要坐火箭上去，但化學火箭是非常費能量的一種裝置。另外一種方式是在天上的同步軌道建一個太空站，中間用一些電梯一樣的設施上下連接，這樣相比火箭會非常節(jié)省能量。

另一方面，如果采用太空電梯的話，可以建一個非常大的太空站，不像現(xiàn)在就只是幾間房子的大小。另外，我們從這么高的地方再往外去進行宇航探索的時候，要克服的困難要小很多。

這是一個非常美麗且迷人的想法，但其中有一個致命的問題——地球所帶來的離心力?？臻g站要跟地球同步轉(zhuǎn)動，所以它一定要在36000公里之外。從36000公里外甩一根繩子下來，就算是自然界中最堅硬的材料之一——鋼鐵，在這種情況下也會因為自重的原因自己拉斷，因為強度不夠。

如果自然界當中最最鋼硬的材料都無法實現(xiàn)這個性能的話，這個想法就完蛋了。后來怎么辦呢？

1991年，人們發(fā)明了一種東西，叫做碳納米管。碳納米管是一個納米級的材料，你可以把它看成一種納米的金剛石。金剛石是我們自然界中最鋼硬的材料，它非常堅硬。你拿金剛石去劃任何東西，它都不會受損。如果要把金剛石的原子排列成一個管子的形狀，它的抗拉強度就會變得非常大。

大到多大呢，是鋼鐵的200倍。同等力度下，在鋼鐵被拉斷的時候，碳納米管是不會斷的。而它的密度又是鋼鐵的1/6。所以說碳納米管的自重很小而強度很大。

人們算了一下，如果用這樣的材料通天貫地，就可以實現(xiàn)太空站跟地面的連接。這個想法挺好，我也是因為這個原因進到納米領域當中的。

這里面要解決一個更關鍵的問題——我要建一個完美的納米管。從左邊這張圖可以看到，納米管實際上是一些原子組裝成一個管狀的結(jié)構(gòu)，然后從底端不斷堆積生長，上面管子就長出來了。它的直徑是一個納米。

▲太空電梯纜繩的關鍵：超長碳納米管的生長

要保證環(huán)境特別穩(wěn)定，才能把這管子做成36000公里的長度，這就非常難。你可以類比壘積木：壘十塊積木很容易，壘一百塊積木行不行？很難。

我在讀研究生的時候就跟中國科學家研究碳納米管，去幫助他們做一件事情：把這個納米級的材料長到了幾百微米，差不多一個毫米的量級。

這張圖看起來好像是一些大廈，但實際上是微觀的圖譜：這是一些矩陣的碳納米管，它們自己排列好的，彼此輔助著一塊生長，這時候就會長得比較穩(wěn)定。

但即使這樣也長不到一厘米。當然到現(xiàn)在，中國的科學家已經(jīng)把這個材料能夠長到一米的量級了。

這個視頻是我以前的合作者，他一直在研究超長碳納米管的生長?？梢钥吹剿孟衲弥粋€輕紗，但這實際上不是輕紗，這是碳納米管的絲。

它是從一個地方上像蠶繭一樣抽出來的絲。當然這不是一個碳納米管，可以看到這是好幾米長，由碳納米管互相連接的。

我們也試圖把碳納米管搞成繩索，但依然還不太夠。

但碳納米管繩索這個概念實際上運用到了《三體》里邊。在《三體》電視劇第29集的時候，有個名叫“古箏計劃”的代號行動，用攔在河道的納米飛刃破壞掉了ETO的船。這所謂的納米飛刃實際上就是納米管。碳納米管很鋼硬，尺寸又比我們所有的刀片要薄，是最銳利的材料，可以無聲無息地切斷所有其他物質(zhì)。

這個時候?qū)а菡f：“我要一個非常漂亮的制造裝置，要bilingbiling放光的；我還要寫滿黑板的科學公式的推導，像星際穿越一樣?！?/p>

于是他就得到了這個。

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我把我所有的對穩(wěn)定碳納米管生長的夢想和期望都放在這里邊：包含了偏微分方程、材料的制備、催化劑的制備、氣體動力學的研究、電磁場的控制、力學強度的估計。

洋洋灑灑寫了很多，我得到了一個回復：“雖然我看不懂，但是能看懂的人都被深深地震撼了，同時也影響了大量看不懂的人想去看懂，和您在一起傳播這些有價值的能量是我的榮幸?！?/p>

這個想法最終也沒有放到電視劇里邊，我挺遺憾，但也有所得。我得到了什么？我給他畫了一張圖，告訴他如果你要設置場景，怎么樣把這個船割碎。他說這個我看懂了。

然后我得到了一個畫面：“他們正在執(zhí)行你的計劃”。我感到很開心。這句話雖然只是一句臺詞，不是針對我的，但是我覺得還是很榮幸，畢竟我把一些科學知識傳遞了出去。

說到這里的時候，我們要講一下什么是納米。納米實際上是尺度，千分之一米就是一毫米；千分之一毫米是一微米；千分之一微米是一個納米。

如果我要把一米當成一個納米算的話，那換算完的一米有多長呢？是地月之間距離的3倍。你可以想象這個尺寸有多大。

有句哲學道理——量變導致質(zhì)變，如果米到納米有這么大量變的話，它一定會有一些特別奇怪、特別新奇的現(xiàn)象。就像愛麗絲這個小朋友跟著一只小白兔，來到了一個非常神奇的世界里面，各種事都是新鮮的，各種事情都是從來沒見過的。

我因為碳納米管，也就進入到這個神奇的微觀領域當中。

進入納米世界

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那么納米級別有些什么樣的特性呢？它確實不一樣，我舉幾個例子。比如光學宏觀下一個材料能發(fā)出的光線有一個固定的顏色。但如果你到納米尺度下，就像這張圖，它根據(jù)底下這一排不同粒徑的大小，顯示出的顏色、發(fā)出的光線就不一樣。人們可以用這個性質(zhì)做量子點電視機。

▲具有不同發(fā)光能力的納米級材料

另外大家都熟悉金子。金子是什么顏色？它是有特征的顏色，金色的。但如果把它變成納米，就像底下那些不同顆粒大小的時候，它的溶液會變成紅色。你們誰見過金子是紅色的？納米級別的金子就是紅色的。

有些材料在納米尺度下，它的力學性能也不一樣，電學性能也不一樣，光學性能全都不一樣。那么人們利用納米技術(shù)能做出什么樣的改變呢？

如果我們把一些晶體管或電子器件，從很大的變成很小的，那就可以把一個計算機里的幾百個元件一下變到幾億個。

現(xiàn)在你們手機里芯片的元器件都在幾億個量級上。我們把尺寸不斷地縮小、元件密度逐漸增大之后，就會得到這樣的結(jié)果。這樣的一個芯片，它的晶圓是可以越做越大的，但每一個芯片的大小是越來越小的。

那什么是芯片呢，我們可以把芯片比喻成身邊的一個城市。每天交通工具把人群送到這個城市的每個地方，而這樣的人流流動，決定了我們城市的功能，決定了我們城市的繁華程度，決定了我們城市的面貌，決定了我們城市的文化。

那同樣，一個芯片里邊最重要的就是信息流動，它的流動在里面產(chǎn)生了不同功能。這些流動的基礎是什么呢？就是晶體管，我們可以把它比喻成控制交通的十字路口，十字路口的紅綠燈決定了我們的人流、車流的流動。而晶體管里面的電壓實際上決定了里面信息的流動。

右邊是一個示意圖，上面紅色部分就是電子的“紅綠燈”，綠色部分是等待流通的信息。如果要改變“紅綠燈”的顏色，也就是改變電壓的時候，它就可以控制信息的流動。

通過這種方式，我們可以得到很多的功能。如果我們希望它的計算能力越強，計算速度越快，那需要怎樣改變呢？

看看十字路口就知道，如果我把十字路口變小的話，就能夠運行得更快，需要的能量更少，需要的時間也更短。且在同樣的體積下，我可以放入更多這樣信息控制的窗口。因此我們現(xiàn)在信息的器件在不斷地縮小。

下面這張圖橫軸是時間，縱軸可以把它看成信息密度或者器件的密度。這里表示每一級時它的器件大小，可以看到它已經(jīng)進入到納米級別。當然這只是一些商業(yè)的指標，這些指標并不真正代表物理的一些含義。

但有個問題，如果我們現(xiàn)在把器件做得越來越小，它的結(jié)構(gòu)也就越來越復雜。比如右邊是一個器件的剖面圖，它有很多連接層。那么在每一個器件都在最底部的時候，想控制底部器件的操作，器件的電壓就可能關不住了，這叫“短溝道效應”。

紅綠燈如果管不住交通的話，我們整個城市的功能就混亂了。現(xiàn)在的電子工業(yè)、信息工業(yè)面臨的問題就在這，我無法控制它在更小尺度上的操縱行為。

第二個問題，你們聽說過一個詞叫做“量子效應”吧。量子效應在小尺度下才會出現(xiàn)，而如果我們的器件到了納米級別的時候，它就會產(chǎn)生很多量子效應，那原來的功能就可能會失敗了，因為我們原來的功能都是基于大尺度的經(jīng)典效應。

比如說我做一些金屬電極，金屬電極在大尺度下是穩(wěn)定的，到小尺度下它可能就自己熔化掉了，沒法建立各種連接。另外，如果尺度很小，不同電路之間就會產(chǎn)生互相的耦合，比如電容耦合、電感耦合，這些效應會導致我們的功能失敗。

對于這件事納米科學家可以做些什么呢？我實際上就做這樣的事情，我做了納米電子學的研究。

用納米電子學的方向研究這個器件一旦到納米級別的時候，它有著什么性能。比如碳納米管你可以認為是世界上最小的電纜和電線，那我把碳納米管做成一個晶體管的樣子。

▲一個碳納米管做的晶體管

但我發(fā)現(xiàn)如果把它做到納米級別的時候，里邊的電子之間互相的排斥力非常大，它們彼此不相融。當我放入一個電子的時候，第二個電子就不允許進來，因為有電子和電子的相斥作用。

這樣我就發(fā)現(xiàn)哪怕是金屬性的碳納米管，它也有些開關作用。大家可以看到，中間有一些像開關的操作，這里有通的，有斷的，我可以一個一個數(shù)出這個電子的狀態(tài)。

▲電子數(shù)目不同導致的振蕩

還可以把這些電子按照不同的能量排列起來，研究每一個電子波所具有的性能，每一個脾氣怎么樣。這就比我們平常說的開關這兩種狀態(tài)要豐富的多，我可以從中提取更多的信息。

并且我把它做到納米級別的時候，我發(fā)現(xiàn)電子的波動性就展現(xiàn)出來了。它像水波一樣產(chǎn)生了干涉，這種干涉導致了左圖當中電導的不斷漲落現(xiàn)象。在固體里面，波動性變成了一種器件的性能。

我非常享受納米的研究過程，也能夠通過研究不斷地得到一些新現(xiàn)象，獲得一些新知識。當然也有很多失敗的場景，但是我在這里面不斷鉆研，終究能獲得一些成功。

那后面更深入的工作就是，如何能夠?qū)崿F(xiàn)世界上最小的晶體管？

如果我把晶體管縮放到最小尺度下，能得到什么東西？我就試著沖刺人類歷史的極限，用一個分子做成晶體管。

我做到了嗎？我確實把一個分子放在了兩個電極之間，在這里面我發(fā)現(xiàn)了什么？

電子和分子的軌道會產(chǎn)生心心相映的共振，只有電子和分子的軌道具有相同屬性的時候，電子才能傳輸過去；如果它們之間互相排斥，互相不相融，電子就會被阻礙。

我還發(fā)現(xiàn)，電極里的電子和分子里的電子只有在“手拉手”的時候，才會出現(xiàn)右上圖的那條黃線，這條黃線就是它的導電峰，這是電子和電子的關聯(lián)作用。而如果想讓電子一個一個的過去，是絕對不可能的。

來自底層的大空間

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我還發(fā)現(xiàn)如果要把兩個分子靠得非常近的時候，在納米電子學、分子電子學尺度下，會產(chǎn)生軌道的糾連，會產(chǎn)生很多軌道的相干效應。

因此我和其他人一起建立了一個分子電子學的領域。這不是我自己的獨創(chuàng)，但我在這個領域當中，做出了比較重要的貢獻。我們可以研究極限尺度下的晶體管的性能；可以研究受限體積下它的傳輸現(xiàn)象；可以研究物理過程和化學過程。這是我在納米領域當中非常享受的第三個部分。

那么總體來說，我利用諾貝爾獎獲得者費曼的一個說法：“在底層尺度有非常大的空間?！?/p>

如果我們能夠把原子、分子好好地排列起來，按照我們的方式控制它，就會實現(xiàn)很多很多的功能，出現(xiàn)很多很多的新奇現(xiàn)象。

▲納米領域成果（滑動查看更多）

未來納米機械的演化會怎么樣？很難想象。我們可以認為人類的演化是從有機的分子變成有機的基團，變成一些單細胞的生命，再變成一些器官，最后變成演化。這總共用了40億年的歷程。

如果我們能夠把這些原子好好地排列，變成分子，變成人工的結(jié)構(gòu)，變成人工的器件、人工的組件，最后就有可能變成一個納米機器人的世界。這些東西有可能怎么樣影響我們的未來呢？或者說它會對我們的生命、對我們的想象力有怎樣的影響呢？

▲納米制造的世界

我們可以想象，在下一部電影里面，說不定有納米做成的機器人，可以成功地修復我們每天的疲勞，我不再需要休息；可以恢復我的傷痛，我不需要再去醫(yī)院做手術(shù)，納米機器人在我身體里就可以修復我的機能，甚至可以治療很多現(xiàn)在的疑難雜癥。

另一方面，納米器件所構(gòu)成的信息網(wǎng)絡，有可能使我們具有超大的計算能力和全域的信息掌控能力。全世界信息都在我的眼前，我就有更多的改變世界的可能。

有可能在我們未知的地方，比如說月球的背面，生成一個納米機器的文明和我們?nèi)祟愇拿鞯慕换ァ?/p>

這是一個更加開放的話題，這些內(nèi)容可能需要大家去探索。

謝謝大家！