以下根据苟利军教授2020年7月4日在高山大学、更新学堂以及腾讯公益基金会联合出品的“科学公益直播”的课程整理而成，经老师审核后公开发布。

※全文4832字丨5分钟阅读

※整理丨邱施运

※编辑丨朱珍

授课老师：苟利军，中国科学院国家天文台研究员、中国科学院⼤学天⽂学教授、恒星级⿊洞研究团组⾸席科学家。

苟利军

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科幻电影，一直为人津津乐道。

今天，就让我们根据近年的两部作品《星际穿越》和《流浪地球》，来聊一聊剧中科幻内容的可信度、可能性，以及剧外星际探索的真实面貌。

蟹状星云，图自网络

赫赫有名的蟹状星云，跟今天（7月4号）颇有渊源。这一天，历史上发生了两起著名事件。

一个是1776年美国发表《独立宣言》；另一个是1054年（中国宋朝时期），天空出现了一颗“星星”，白天都清晰可见（966年前的今天，一颗超新星正在死亡）。以现在的天文了解，那是一次超新星爆发，而爆发留下的遗址（蟹状星云），七个世纪后被望远镜捕获，为人类打开一扇认识宇宙的窗户。

多年后的今天，我们随着它，再打开另一道了解太空与科学的门。

科幻电影的本质与发展

“科幻”的本质，是“科学”与“幻想”。

幻想，从人类诞生开始，就存在于世。富于想象，是人类与其他物种的最大区别，也因此在人类历史上留下了很多神话。

“幻想”结合“科学”，产生了科幻题材；再撞上科技，就成就了兼具想象与视觉冲击的“科幻电影”。

科幻电影的发展，与科学和科技的进程是同步的。

科学，起源于2000年前的希腊文明；再到欧洲，由牛顿开启现代科学。随着现代科学的轮廓日渐清晰，科幻题材也悄悄搭好了基础、蓄足了能量，比如凡尔纳经典之作《从地球到月球》。凡尔纳也因开创了科幻题材而被称作“科幻小说之父”。

19世纪末，电影诞生，技术也不断成熟，美苏之间进入太空竞争阶段。天时、地利与人和下，太空为主题的科幻电影、小说如雨后春笋般涌现。

如1966年的《星际迷航》、1977年的《星球大战》。它们深远地影响着后来的科幻界，至今仍拥有大批粉丝。

不过，初期的科幻电影，严格来说不算科幻，因为剧情与底层逻辑悖离科学事实，仅因剧情而为之，更像纯幻想的魔幻电影。

直到近代，科学备受重视，科技也愈加成熟，“真正”的科幻电影终于应运而生。其中最具代表性的，有2014年的《星际穿越》以及2019年的《流浪地球》。

《星际穿越》与《流浪地球》剧照

科幻内容的可信度

对于科幻真实性，过去，我们是透过特效的逼真性直观地感知；如今，随着电影技术提升、科学普及，我们开始审视电影设定是否符合事实、存在根据。

科幻涉及的知识，可以分作三类：科学事实、有根据的推断、猜想。

科学事实，就是已经被证实的事情，比如地球上苹果自然下落，而非飞向空中。如果电影设定不符合生活基本的认知，观众会感到莫名奇妙。

有根据的推断，是没被证实，但有理论支撑的事。比如虫洞的存在。虽然虫洞至今没被探测到，但它是爱因斯坦场方程的解之一，而爱因斯坦引力场方程已经获得大量观测验证，所以，从它推断出的结果也是合理的。

猜想，是没有被证实，同时也没有理论支撑的事。比如虫洞的样貌。尽管虫洞理论上存在，但它的样子，包括物体进入虫洞的结果，没人知道。所以《星际穿越》对虫洞的视觉呈现，完全属于猜想。另外，电影结尾的超立方体也是猜想，纯粹是电影的炫酷元素，不涉及科学依据。

只要整体不违背基本的科学事实，科幻可以尽情发挥，让内容更丰富、更吸引人。

《星际穿越》之所以成为人们眼里优秀而硬核的科幻作品，也是因为它巧妙糅合与平衡了三者。

为了给电影加持可信度，电影组聘请了物理学家吉普索恩（2018年诺贝尔物理学奖得主）作科学顾问。

《星际穿越》黑洞剧照，图自网络

为了展示黑洞的原貌，电影利用30人的团队，花一年左右的时间计算几千个节点的高性能数值，得到870TB的数据，最终才产生了那一副震慑人心的高清黑洞图像。其逼真程度，即便是毕生研究黑洞的吉普索恩，都深感震撼。

2019年4月10日公布了世界上第一幅黑洞照片，但就清晰度而言，望远镜的摄像远远低于计算机模拟的精细度。

《流浪地球》也是一部比肩好莱坞的科幻巨作，剧情紧凑入理。不过事后回味，不难发现一些显而易见的错误。但作为中国第一部科幻大片，错误情有可原，不过惟有发现错误，未来的科幻才能越做越好。

无论是《流浪地球》还是《星际穿越》，整体上特效逼真，同时也符合很多科学事实与推断，这些部分是可信的；至于猜想的部分，更多是一种艺术。

至于电影描述的灾难，它们是否可信、可能？

《星际穿越》讲述植物枯萎病，进而导致的粮食危机。针对“地球生态是否会发生令人类无法存活的剧变”，索恩跟剧组找生态学家、植物学家等相关专家召开过一次会议，最后一致认为：可能性存在，但非常低，类似一种猜想。

《流浪地球》则讲述太阳氦闪，进而吞没地球。

根据恒星演化路径，太阳后期膨胀成红巨星，体积确实将淹没地球——但电影中的次序有误：先膨胀，再氦闪，而不是倒过来。所以，这种“灾难”是可能存在的，不过时间极为遥远，从现在计算，大概50-60亿年后。

2016年，《新科学家》杂志回顾地球生命的演化时指出，根据大型哺乳动物的存活时标，人类在地球上的时间大概还有80万年——相比于被太阳湮灭，这结局或许更可能会发生。

当然，地球生态具体将怎样变化，如何影响生命演化，不同科学研究有不同结论。

一些研究就指出，根据逐年加剧的温室效应，约过1万年，地球上的生命就将消亡。霍金2017年在腾讯大会的演讲更是悲观，认为人类若再不注重能源保护，几百年之内地球就不再适合人类居住。

一定程度上，科幻题材对剧情、时间线的大胆呈现，正推动着人类思考前路。

为何寻找系外行星？

或近或远的未来里，地球若发生巨变，我们何去何从？我们需要有所准备。

2020财年美国移民排期情况小结

前几天，美国国务院发布了2020年9月的移民排期表。大家都知道，9月是2020财年的最后一个月，因此这个排期表一出，意味着2020财年各类移民的名额分配情况已经尘埃落定。令人感到些许失望的是，排期表上并没看到什么惊喜，美国移民局没有像我们期待的那样，在最

一直以来，天文学家探究系外星球，寻找第二家园是其一，更重要的，在于“人类了解自己、地球、太阳系在宇宙里的位置”的过程。

自从智人在地球上出现，我们就开始对宇宙进行观测。除了太阳、月亮，我们发现天上位置变化迅速的金木水火土五大行星之外，还发现了位置相对固定、耀眼的星星。

直到2000多年前，古希腊文明的智者提出了地心说：各种天体以地球为心，被镶嵌在不同的透明球层上，按自身规律运动。

之后的漫长时光里，地心说一直未受动摇，主要因为当时的观测以肉眼进行，而肉眼可见的现象基本与地心说自洽。

直到1609年，伽利略将望远镜指向天空，发现了一些前所未有的天体现象，从此颠覆了地心说，复活了哥白尼日心说。

到了17世纪末，牛顿再提出万有引力。

随着望远镜性能增强，观测质量、范围一再提升，我们的宇宙观也一步步拓展，从金木水火土，延伸到天、海、冥，以及火、木之间的小行星带，再蔓延到更遥远的星云、星系。

到哈勃望远镜出世，我们继续扩张认知边界，明白了银河系只是宇宙中的星系之一，太阳更是恒星中的沧海一粟。同时也发现了各种天体在宇宙的膨胀中正离我们远去。

我们之于地球、地球之于宇宙，宛若一颗尘埃。对宇宙的探索，也是我们对自己、对真理的探究。

如何探寻系外行星？

首先是工具——望远镜。

随着科学技术的发展，望远镜的口径也越做越大，从伽利略时期的3.7厘米，到现在天文望远镜的10米，未来很快出现30-40米的望远镜。

伽利略发明了望远镜，图自网络

除了从地面观测，我们也发射望远镜到外太空，进行更细致、无障碍的观测——最早有哈勃，后来有斯皮策、开普勒，未来还有韦伯这种大型的空间望远镜。

工欲善其事，必先利其器；透过提升采集光线的能力，能看见的范围也更为遥远。

有了工具，再来方法。天文学家发现天体的方法很多，除了直接成像，还有凌星法、视像速度、引力透镜等等，在此不一一赘述。

是否找到了系外行星

1990年，科学家发现第一个地外行星，但其恒星是一个致密的中子星，而非正常恒星。

直到2009年开普勒望远镜升空，才短时间捕获了大量系外行星的身影，开普勒望远镜也因此被称作“行星猎手”。

2020年6月24号止，我们共发现了4000多颗的系外行星——其中开普勒望远镜发现2000多颗，而苔丝空间望远镜确认了50多；另外，还有2000多颗候选体待我们探测。

至于中国，目前确认了10多颗系外行星。现在，国家天文台、南京大学、云南天文台、北京大学、清华大学等，都做着相关的行星探测，100多个候选体等我们确认。

发现是第一步，第二步是分析，与地球做比较。

目前发现的系外行星，绝大多数比地球大一些——我们称之为超级地球。

据我们对生命的理解，水，尤其液态水，是生命存在最必须的条件。行星和恒星，离太阳太近则温度高，水要蒸发；离太阳太远则温度低，水会结冰。

银河系宜居带位置，图自网络

太阳系里，地球正处在宜居区，而火星也正在宜居区的外边缘上，所以我们一直想到火星探寻生命的迹象。

2016年，欧洲南方天文台公布一颗比邻星（4.23光年）周围的行星；它位于宜居区中，存在液态水以及生命的可能。

葫芦娃系统，图自网络

2017年，天文学家更在40光年外的恒星周围发现了7个行星（俗称葫芦娃系统），其中有3个行星位于宜居区。

系外行星中，近似地球的有10多个。根据相似度排序，最相似的可达87%。

是否能实现星际移民？

是否能星际移民，有赖于两方面的技术。

首先，必须掌握生物基因工程，对基因进行一些改造，永久适应当地环境。

其次，需要有强大的航天技术。宇宙极其浩瀚，星际之间距离遥远，以流浪地球里的高科技，也需要2500年、历经100代人才能完成。所以，必须要有高超的航天技术在短时间内把我们送达目的地。

《星际穿越》利用的是虫洞——一个高维的通道，短时间内把人类送往非常遥远的地方。

虫洞的原理，也是近年常提到“空间折叠”、“时间塌缩”等名词；用通俗的话说，像是生活中火车、飞机替我们缩短行进的时间。电影里，主角通过一个两公里长的虫洞，不到一分钟，抵达了100多亿光年之外的星系周围。

虫洞原理，图自网络

虫洞，据现在的了解，存在于黑洞最中心。这区域存在大量的量子泡沫，时空纠结在一起，但尺度极小，且存在时间极短，跟时空穿梭的尺度差距很大。想实现还非常遥远，即便量子泡沫，现在也只是有根据的推断，能否找到，还有待日后的发展。

《星际迷航》使用的是曲率加速——利用正反物质湮灭释放大量能量，导致时空弯曲，从而获得加速，缩短旅行时间。时空弯曲指数越高，加速所致的速度越大。

1994年，墨西哥科学家从理论上计算，发现曲率加速是可能的，虽然正反物质的获取还是一个难题，技术也没有实现。

这里澄清一点：光速是任何物体的运行速度上限。曲率加速之所以导致超光速，并不是指物体本身的移动速度，而是时空本身因弯曲而后退，进而导致物体呈现出超光速效果。

另外，霍金跟俄罗斯富商Yuri Milner在2016年提出，通过地面上的激光阵列，利用光帆作用把一些纳米级探测器加速到0.2倍光速，如此可以用20年左右抵达比邻星。

关于这项目，发射探测器到太空的技术是成熟的。但光帆展开，然后利用地面上的激光进行加速，这些部分对能源要求非常高。加速其中一个，几分钟所消耗的能源，可能是三峡大坝一整年的能源，目前来说并不现实。

固体燃料、液态燃料，还有核裂变，或是等离子发动机，比现在的效率是高一些；但一方面，这些资源非常有限；另一方面，进入太空以后才能充分发挥效用。至于其他，都是一些近期远没有可能实现的驱动方式。

至于其他科幻电影的驱动逻辑，比如星球大战中死星飞船的作用，可以达到几百万倍光速，仅是一个纯想象出来的设定，没有科学知识的基础。

未来，我们若想实现星际旅行，必须是多种方式的结合。这其中，虫洞可以说是星际旅行最有效的途径。

随着未来更多私营企业家如Elon Musk、Jeff Bezos、Larry Page等人投入到航天领域，期望进入太空的成本能尽快降低，同时技术尽快突破。

未来，地球生态以及人类科技会以怎样的速度演变成什么样子，我们不知道，但终有一天，地球会不再宜居。

到那一刻，我们将利用所掌握的知识与技术，搭建新的家园——或许是简单地改造地球，或是建立一个横跨银河系甚至宇宙的多星球社会，让人类的未来活在星辰大海。

日本的超弦物理学家加来道雄《人类的未来》 英国天体物理学家Martin Rees《On The Future》

最后，推荐大家两本书，这两本书可以让我们从更宽广、更自由的时间尺度，去思考人类的存在与未来。