《流浪地球》裡的科學故事
轉自：北京日報2019-02-13
新聞背景
大年初一，中國科幻電影《流浪地球》登陸各大影院，在競爭激烈的春節檔期收穫票房冠軍。電影根據劉慈欣同名科幻小說改編而來，講述了一個發生在不遠未來的故事：太陽急劇老化，隨時都有可能進入到紅巨星的膨脹階段，地球也將因此被吞噬。在此危急關頭，為了地球人的存亡，地球上的聯合共和國作出了一項緊急決定，在地球上建造上萬座重核聚變行星發動機，每個產生上百萬億噸的推力，把地球當成一個龐大的宇宙飛船，駛離現有軌道，駛向距離太陽系最近的一顆恆星——比鄰星，從而開啟了一段長達2500年的星際旅行。
《流浪地球》海報（略）
今天，我們就電影中涉及到的一些科學故事來聊一聊，也不失為一件有趣的事。
太陽什麼時候會滅亡？
太陽誕生於約50億年前的一次星雲坍縮，太陽系的其它行星緊跟其後。太陽提供的能量來自於其中心氫氣的聚核反應，如同大量氫彈在太陽內部不斷爆炸，按照現有的數據估算，這種聚核反應總共將持續約100億年，所以，太陽還可以再燃燒50億年左右。
在小說《流浪地球》中，科學家發現太陽異常，並預測太陽將進入紅巨星膨脹階段，在接下來的數百年時間裡淹沒地球軌道。紅巨星是恆星燃燒到後期所經歷的一個較短的不穩定階段。不過人類學家曾經估算過，因為周圍環境的各種變化，人類在地球上還可以存在的時間大約是200萬年。而物理學家霍金曾經更為悲觀，因為人類使用能源的沒有效率，預言幾百年後就需要考慮離開地球。
在某個時間，地球在被淹沒之前就已經移到太陽系的宜居區之外，不再適合生命存在，反而在那個時候，火星將完全進入宜居區。
比鄰星是可能的歸宿嗎？
半人馬座比鄰星是除太陽之外距離地球最近的一顆恆星，距離我們4.2光年。如果真的有“流浪地球”計劃，地球真的流浪到半人馬座比鄰星周圍，那裡的環境適合人類生存嗎？
根據哈勃等強大望遠鏡對於半人馬座比鄰星的多項觀測，我們還是可以瞭解到有關這個恆星的不少信息。半人馬座比鄰星質量只有太陽質量的七分之一，屬於紅矮星，它的亮度比太陽低。
在劉慈欣寫《流浪地球》這篇小說的1999年，人們並不知道半人馬座比鄰星周圍是否有行星存在。而在2016年年底，歐洲南方天文臺一個名為“黯淡紅點”的發現讓天文學家和大眾都非常興奮——科學家們在半人馬座比鄰星周圍發現了一個和地球非常類似的行星，它的質量大約是地球質量的1.3倍，公轉週期為11.2天，位於半人馬座比鄰星的宜居區當中。天文學家使用了一個名為“地球相似指數”的參數，來描述這一行星和地球的相似度，“黯淡紅點”的相似指數高達86%。
即便如此，這顆行星的某些性質與地球仍相差甚遠。因為半人馬座比鄰星質量遠低於太陽，所以圍繞半人馬座比鄰星的宜居區也相應地更加靠近中心恆星。又因二者非常靠近，天文學中非常常見的一種現象便會出現——潮汐鎖定。潮汐鎖定使得行星只有一面朝向中心恆星。在某種程度上，這類似於我們熟悉的月亮，我們只能看到月球的一面。所以，行星永遠朝向中心恆星的一面溫度會很高，而另外一面溫度很低。
在潮汐鎖定之外，還有一個更為重要的問題，那就是中心恆星頻繁的爆發現象。儘管半人馬座比鄰星質量比太陽質量小，但它的爆發頻率和釋放出來的能量要比太陽大得多。半人馬座比鄰星的行星上所接收到的紫外輻射，比地球上用來殺死病菌的紫外線強度還要高出100倍以上，這對於行星上的生命來說無異於一場災難。更糟糕的是，一旦潮汐鎖定，根據現有的理論，行星產生磁場的可能性就會非常小，如果劇烈的恆星風持續吹來，即便行星上有大氣，在恆星風的作用下也會逐漸逃逸直至消失殆盡。
基於對半人馬座比鄰星環境的以上推測，半人馬座比鄰星可能並不是一個非常適合地球流浪的目的地。也許，隨著科技的高速發展，人類還可以找到除太陽之外距離地球較近、周圍有“地球相似指數”較高的宜居區的另一顆恆星。
人類是否能夠讓地球停止轉動？
在“流浪地球”計劃中的第一步就是讓地球停止轉動，儘管在電影中沒有直接展現這一場景，但是電影當中的旁白中有所提及，讓我們就先來看一下這個停止轉動是否可以實現。
我們先來了解一下地球的轉動能量是多少，可以很容易從網絡上搜索到，是2.24×1029焦耳，這個能量是非常巨大的。
讓我們做一個簡單的對比：一顆原子彈釋放出來的能量差不多相當於1百萬個TNT當量，或者相當於4.2×1015焦耳，而歷史上實驗過的釋放能量最強的大伊萬氫彈，釋放的能量差不多是5000萬TNT當量，或者就是2.1×1017焦耳。地球的轉動能量大約相當於1萬億（1012）個大伊萬氫彈同時爆炸。
不過或許在不遠的未來，人類能夠熟練掌握了重核聚變能力的話，產生能量的能力將極大提高。按照電影所說，每個行星發動機通過重核聚變能夠產生150萬億噸的推力。通過簡單計算我們可以推論，這樣一臺發動機如果能夠在赤道上持續不斷地產生反推力，那麼也需要21857天（大約60年）的時間才能夠讓地球停止轉動。
不過按照電影所言，人類製造了一萬個這樣的行星發動機，其中一部分是位於赤道之上用於減速的，如果數量可以達到100個左右的話，那麼就可以在相對比較短的時間停止地球轉動。這在理論上是可能的，不過實現的難度也不算小。
一旦地球停止轉動，將會發生什麼？
最直接的一個效應就是，沒有了轉動，目前地球上幾乎所有的大陸都會被海洋所淹沒，這一點在電影當中有所提及。原因很簡單，在地球轉動的時候，因為離心力的緣故，作為液態的海洋會朝向赤道附近聚集，所以一旦地球停止轉動，這些水會向兩極流動，從而造成大陸被淹沒。在電影當中，人類移居到了地下生活。
那麼人類有可能還在地球表面生存嗎？根據美國ESRI公司的動畫模擬，最終幾乎所有的大陸都會被淹沒，只剩下赤道附近的一圈超級大陸凸顯出來。值得指出的是，即使這赤道附近的唯一大陸，也是充滿了很多危險。在轉動的時候，同樣是因為離心力的作用，地球的赤道地殼會顯得更為突出一點，然而在沒有轉動的時候，赤道附近缺少離心力，所以很可能會導致板塊坍縮，從而引發一系列的全球地震或者海嘯。
而且，因為沒有了轉動，所以地球將會有固定的一面朝向太陽，另外一面將一直處於黑夜當中，就彷彿我們在南極或者北極所經歷的極晝或者極夜那樣。電影中的中國救援隊長在地球表面運送行星發動機救援修復設備時，也提到了穿越極夜區。儘管有地球大氣的存在，但是遠離太陽的一面，還是會因為長期得不到太陽的照射，從而溫度變得很低，不太適合生命的存在。
為什麼流浪地球要駛入木星周圍？
整部電影所展現的一個主題就是如何擺脫木星的“剛體洛希極限”點。這裡我們需要先明白地球駛入木星周圍的原因。
木星引力是如此之強，為何地球不躲著木星行駛？其實在電影當中，聯合共和國政府本來想通過一種叫作“引力彈弓”的效應，使用木星對地球進行加速，沒想到部分行星發動機失效，導致地球被木星吸引而逐漸進入木星的“剛體洛希極限”，出現了電影當中所呈現的災難。其實引力彈弓效應在探測器飛行中被廣泛使用，通常被當作一種節省能源的加速方式，“旅行者一號”探測器就是利用木星和土星兩次引力加速，才得以逃出太陽系。
這個效應的原理其實非常簡單，因為行星本身也在圍繞太陽轉動，所以當行星吸引探測器或者其它天體的同時，就實際上賦予了探測器或者其它天體一部分速度，當探測器或者其它天體逃離出去的時候，就相當於被加速了。我們可以舉一個簡單的類似例子來理解。
如果我們站在靜止的地面上向運動的火車頂上扔一個網球，在網球被彈起來的時候，地面上靜止的人看到網球的速度，其實就是火車速度和網球原來速度的疊加。所以當天體從某個行星周圍逃離的時候，其實就是本來的速度和天體速度的疊加。
“流浪地球”，這個大膽而美麗的想象值得我們嚮往。作為中國第一部科幻大片，《流浪地球》帶給我們很多欣喜。中國的科幻電影之路，也如中國的科學發展之路，路漫漫其修遠兮，還需大家的共同努力。
（苟利軍 中科院國家天文臺研究員；黃月 媒體人）
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