作者：李唐
來源：賽先生（mrscience100）
地球為什么要流浪？如何將地球變成宇宙飛船？流浪的地球為何靠近危險的木星？比鄰星是合適的新家園嗎？如果你還沒看電影，這篇文章會提升你的觀影體驗（雖然微劇透）；如果你已經(jīng)看過電影，讀完這篇文章，我想你會忍不住二刷?
文中插圖來源：《流浪地球》
在不遠的將來，太陽因為衰老開始急速膨脹，太陽系不再適合人類生存。為了避免被毀滅的命運，人類啟動“流浪地球”計劃，在地球表面建造了一萬座行星發(fā)動機，將地球變作一個巨大的宇宙飛船逃離太陽系，尋找并建造新的家園。在浩渺的宇宙中，地球和人類開啟了預計長達2500年的流浪之旅。
這是新年伊始上映的硬核科幻大作《流浪地球》中的情節(jié)。這部電影根據(jù)我國著名科幻小說家劉慈欣先生的同名小說改編而成，充滿了豐富的想象力，其恢弘的場面給觀眾們帶來了極大震撼。
作為一部硬核科幻電影，《流浪地球》中涉及到了許多物理學知識。如果不了解這些知識，電影的一些情節(jié)可能會讓你一頭霧水，精彩程度也會大打折扣。下面，我們就一同來了解《流浪地球》中的物理學。
憤怒的太陽
自古以來，對于太陽的贊美可謂是不計其數(shù)。太陽作為光明之始、生命之源，在神話時代就處于顯赫的位置。在埃及人的宗教神話中，太陽崇拜占據(jù)了主導地位，太陽神很早就同化了許多其他的神靈。在一些階段，法老擁有太陽的不朽。作為太陽初升之地的東方是生命之地，冥界之王奧西里斯（Osiris）不會在此行走。很多神話中都有至上之神的“太陽化”。至上天神們往往具有儲藏和分配“生命”的角色，而太陽在生命過程中的作用是無可替代的（這是太陽化的重要原因之一）；因此，天神逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘柹瘛Ｌ柹褚查_始具有創(chuàng)造萬物和生殖的能力。在帝汶島，“太陽之主”烏希-尼諾（Usi-Neno）和他的妻子——“大地之母”烏希-阿婦（Usi-Afu）結(jié)合產(chǎn)生了整個世界，一些酋長則被稱作“太陽之子”。卡法人（Kaffa）稱至上神為阿波（Abo），意思是“父親”和“太陽”，太陽是這位神的化身。
但太陽的下落會帶來黑暗。一個在新西蘭廣為流傳的信仰認為，只要在黃昏時看一眼太陽就會導致死亡。太陽“吸走”生命物的靈魂，但同時也引導死者的靈魂。在印度人那里，太陽具有兩面性：他是人類真正的祖先，有時卻等同于死亡，因為他會吞噬他的孩子。下面我們會看到，這一神話中的恐怖之事終將變?yōu)楝F(xiàn)實；而這也是“流浪地球”計劃開啟的原因。
首先，我們需要了解太陽的能量來源。宇宙空間中存在著許多氣體和塵埃，它們大片地聚集在一起變?yōu)樵贫浒愕男螒B(tài)，即星云。星云中氣體、塵埃的分布是不均勻的；在一些密度較大的區(qū)域，這些小顆粒們會通過萬有引力互相吸引并聚集起來，聚集物會像滾雪球一般越來越大，成為如太陽一般的恒星的雛形。引力作用使得聚集物持續(xù)收縮，中心的溫度不斷上升。其實這是一個能量轉(zhuǎn)化的過程——引力勢能轉(zhuǎn)化為熱能。
但為什么聚集物沒有持續(xù)收縮為一個點呢？這是因為微觀粒子總是在做無規(guī)則運動，且溫度越高，運動越劇烈；粒子們的運動會產(chǎn)生一個壓力阻止收縮。如果壓力正好等于引力，便會形成一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。
當中心溫度上升到一定程度時，核反應(yīng)開始發(fā)生。在太陽中，四個氫原子核（即質(zhì)子）聚合在一起，發(fā)生我們所謂的“核聚變”反應(yīng)，經(jīng)過一些中間過程最終變?yōu)橐粋€氦原子核，釋放出巨大的能量。這些能量從何而來？由于四個質(zhì)子的質(zhì)量大于一個氦原子核，而愛因斯坦的質(zhì)能方程告訴我們：能量=質(zhì)量x光速x光速。光速是個很大的數(shù)，因此很小的質(zhì)量也能產(chǎn)生極大的能量。正是核聚變反應(yīng)前后的那一點質(zhì)量差產(chǎn)生了太陽偉大的能量。這些能量從發(fā)生反應(yīng)的核心區(qū)域傳遞到太陽表面，以光的形式到達地球，成為許多生命的能量之源。
對于和太陽同等大小的恒星來說，這種核反應(yīng)過程可以持續(xù)約100億年。但對于質(zhì)量更大的恒星，時間則要短得多。因為大質(zhì)量恒星所包含的物質(zhì)更多，向中心收縮的引力更大，這會導致其中心溫度高于太陽，核反應(yīng)的速度也更快；因此，作為燃料的氫會很快耗完。在一個質(zhì)量等于二十個太陽的恒星中，這種核反應(yīng)的持續(xù)時間約為一百萬年，遠小于地球上的地質(zhì)時間尺度。
我們的太陽大約是在45.7億年前誕生的。現(xiàn)在的太陽正處在穩(wěn)定的壯年時期。核聚變產(chǎn)生的能量及壓力、能量擴散所導致的損耗和太陽中物質(zhì)之間的萬有引力達到了一個完美的平衡。天文學家們稱那些像現(xiàn)在的太陽一樣處于這個穩(wěn)定時期的恒星為“主序恒星”。
但是，隨著核反應(yīng)過程不斷進行，太陽內(nèi)部的氫逐漸變成氦；這些氦將堆積在太陽里面。由于核聚變反應(yīng)是四個氫核產(chǎn)生一個氦核，原子核的總數(shù)變少，使得抵抗引力的壓力變小，星體略微收縮，因此太陽的中心溫度將慢慢上升，內(nèi)部核反應(yīng)的速率也會逐漸增加。現(xiàn)在，太陽的核反應(yīng)速率已經(jīng)比它剛變成主序恒星時大百分之三十左右。由于核反應(yīng)速率不斷加快，在大約五十億年以后，太陽輻射出的能量將會是現(xiàn)在的兩倍！
那時，地球?qū)艿教柷八从械闹丝荆淝樾慰赡鼙群篝嗌淙罩案鼮樵愀狻厍虮砻娴臏囟瓤赡軙^300攝氏度，海洋、河流中的液態(tài)水均會沸騰，變成水蒸氣。如果我們并未進化到足以在這樣的地球上生活下去，那時就必須考慮離開地球了。當然，我們也不必過于急躁，畢竟這是五十億年以后才會發(fā)生的事情，我們還有充足的時間享受美好的生活。
假如我們五十億年以后的科技已經(jīng)可以創(chuàng)造出在300度高溫下運轉(zhuǎn)良好的生物圈，那我們是否就不用逃離太陽系了呢？遺憾的是，答案是否定的。
當太陽中心區(qū)域的氫燃燒得所剩無幾時，上面提到的那種核聚變反應(yīng)便會停止。這時，待在太陽中心的是一個由氦構(gòu)成的核心。由于核反應(yīng)已經(jīng)停了下來，引力開始占據(jù)主導地位，將太陽核心附近的物質(zhì)向中心壓縮。于是，太陽的中心溫度開始持續(xù)上升，核心外部的溫度也隨之升高。結(jié)果是離中心較遠的一些氫也被點燃，開始進行核反應(yīng)，并驅(qū)使太陽較外的部分膨脹。這時太陽已經(jīng)進入了紅巨星階段。接下來，它會不斷膨脹，吞沒水星和金星，表面可能會到達當前地球軌道的位置，其半徑大約會是現(xiàn)在的200倍。
那太陽也會將地球吞入肚中嗎？事實上，太陽在膨脹過程中會流失一部分質(zhì)量，因此對地球的萬有引力減弱，使地球軌道的半徑擴大。如此看來，地球可能會逃過一劫，但下面我們會看到，離太陽或者木星這類大質(zhì)量天體太近，還會遇到可怕的潮汐力；除了表面可能已被完全烤干，地球還會被撕得粉身碎骨。我們必須在太陽給予死亡的懲戒前逃離這里，否則就將被吞噬。
膨脹的太陽
由于中心溫度不斷上升，太陽核心處的氦也會被點燃，發(fā)生一種新的核反應(yīng)——氦變成碳。但令人吃驚的是，占太陽質(zhì)量百分之四十的氦會在短短幾分鐘之內(nèi)反應(yīng)完畢！而之前的氫卻持續(xù)燃燒了數(shù)億年。天文學家將這一過程稱為“氦閃”。值得注意的是，“氦閃”釋放的能量相當于太陽正常燃燒數(shù)百萬年所產(chǎn)生的能量。
當然，氦也有燃盡的一天。這時太陽的核心將會坍縮，變成一顆白矮星；外層的物質(zhì)則會彌散開來，形成行星狀星云。白矮星之所以叫白矮星，是因為它體積小，且呈白色。我們知道，鐵塊很快就能被燒紅，但要出現(xiàn)白色是比較困難的。這是因為發(fā)白光的鐵塊溫度更高。同樣，白矮星的溫度也很高，平均的表面溫度為一萬攝氏度。白矮星也擁有很高的密度，一立方厘米的白矮星重達一噸。在這里，太陽走到了盡頭；遺存下來的白矮星會在數(shù)十億年中逐漸冷卻和黯淡。
如果一顆恒星的質(zhì)量是太陽的三倍，那在它演化的后期會發(fā)生一次劇烈的大爆炸，科學家將其稱為“超新星爆發(fā)”。這一爆發(fā)會釋放極大的能量，其光芒甚至能夠照亮整個星系。2016年1月，中國科學家觀測到最強超新星，亮度是太陽的5700億倍。這是恒星死亡前的最后一次輝煌。
行星發(fā)動機
《流浪地球》中出現(xiàn)的行星發(fā)動機，每座高達11千米，它們的作用是提供地球前進的動力——根據(jù)設(shè)定，一共能產(chǎn)生150萬億噸的推力，如果將單位換作牛頓，大約是150億億牛頓。地球的質(zhì)量約為6億億億千克，利用牛頓第二定律——加速度=力∕質(zhì)量，可以得到發(fā)動機推動地球的加速度大約等于0.00000025米∕（秒x秒），這可能很難推動地球。
行星發(fā)動機
這些發(fā)動機的力量也來源于核反應(yīng)，但反應(yīng)原料卻是石頭！地球上的巖石儲量可以說是相當豐富了，不愁發(fā)動機熄火。氫和氦是最輕的元素，而石頭中的氧、硅、鈣等元素較重，它們發(fā)生核反應(yīng)的條件極為苛刻。目前，只有在大質(zhì)量恒星的中心部位才可能發(fā)生這樣的核反應(yīng)，那里極高的壓強和溫度讓不夠先進的文明望而卻步。看來，人類要建成這種重元素聚變的發(fā)動機還需要發(fā)展N年。
要想造出這種發(fā)動機，還需要一項關(guān)鍵技術(shù)，即控制核聚變的能力。人類發(fā)明出的氫彈也是利用了輕核的聚變反應(yīng)。當然，這是不可控的核反應(yīng)；與太陽相比，那么一點物質(zhì)產(chǎn)生的引力并不足以將反應(yīng)控制在一定區(qū)域內(nèi)。反應(yīng)產(chǎn)生的能量會迅速向周圍釋放，產(chǎn)生毀滅性的打擊。只有將反應(yīng)約束到一定范圍之內(nèi)，才能成為可利用的能源。
這一技術(shù)的難點主要在于聚變反應(yīng)的溫度很高，地球上沒有任何容器可以承受核聚變，因此只能尋找其他方法。目前主流的方案有兩個：磁約束與慣性約束。我們知道，原子核是帶正電的；磁約束主要是利用托卡馬克裝置建立一個強大的磁場，從而將反應(yīng)的物質(zhì)約束起來。而慣性約束則是將反應(yīng)原料裝到一個小膠囊里面，然后用高能激光束照射，使其達到反應(yīng)所需的溫度和壓強。在反應(yīng)的極短的時間內(nèi)，反應(yīng)物來不及擴散便已完成反應(yīng)，從而達到約束的目的；這一過程只有幾個皮秒（1皮秒等于萬億分之一秒）。
中國的托卡馬克裝置——東方超環(huán)（EAST）
（圖源：lssf.cas.cn）
人類在控制核聚變的路上還需多年的探索，但這項技術(shù)的研究已經(jīng)出現(xiàn)了曙光。相信在不遠的將來，我們便會看到核聚變的反應(yīng)堆——那是和太陽一樣的能量，我們將真正的天火盜來了地球。
撕裂地球之力
在電影中，當?shù)厍蚪咏拘菚r，推動地球前進的行星發(fā)動機出現(xiàn)了故障。如果地球和木星之間的距離超過洛希極限，木星的潮汐力就會把地球撕碎！這究竟是為什么呢？
木星臨近
牛頓的萬有引力定律告訴我們，兩個物體之間的引力與它們之間的距離有關(guān)，而且距離越近，引力越大。這意味著，當你在地球表面行走時，頭部受到的地球引力是小于腳部的。萬幸的是，地球的引力并不算很大，人類頭部和腳部的引力差幾乎不會產(chǎn)生什么影響。但是，當你來到一個黑洞附近時，黑洞的巨大引力會使引力差變得很大，你將會被扯成面條。這種由引力差產(chǎn)生的力量便是“潮汐力”。
木星是一個大質(zhì)量的行星，其產(chǎn)生的引力也是十分可觀的。如果地球離木星較遠，那么潮汐力還不足以撼動使地球成形的萬有引力。一旦距離過近，潮汐力便開始占據(jù)上風。這個臨界距離稱為木星的“洛希極限”；這一極限值是由法國天文學家洛希首先求得的。超過洛希極限，地球就會被潮汐力摧毀。這真是一種可怕的命運，難怪在電影中，人類要不惜一切代價地擺脫木星。既然木星這么危險，那為什么要靠近木星呢？這就得說起“引力彈弓”了。
引力彈弓
“引力彈弓”是一種比較成熟的航天技術(shù)，利用一些天體的引力來改變航天器運行的方向和速度。我們可以想象這樣的場景：一個系有繩子的小球正在飛行，繩子的另一端握在你的手里。如果你將之前松弛的繩子突然拉直，根據(jù)你拉繩子的方向，小球會改變運動方向或加速。同樣，在宇宙空間，引力會起到類似于繩子的作用。只要我們進行恰當?shù)挠嬎悖憧梢院芎玫乩靡槲覀兎?wù)。
引力彈弓效應(yīng)的應(yīng)用，早在上個世紀七八十年代便已十分廣泛。其中最為著名的便是“旅行者號”的“偉大航路（grand tour）”。在1980年前后，木星、土星、天王星和海王星都會運行到太陽系的同一側(cè)。旅行者1號和2號利用這次難得的機會，多次借助引力彈弓效應(yīng)進行航線修正，一次便對太陽系的好幾顆行星進行了探測，并且達到了很高的航速，從而飛出太陽系。
電影中人類的“流浪地球”計劃也是想要利用木星的引力彈弓效應(yīng)對地球進行加速，從而更快地離開太陽系。對于科幻作品而言，這是一次成熟技術(shù)的再現(xiàn)。
新的家園——比鄰星？
流浪地球的最終目的地是比鄰星。比鄰星是離地球最近的恒星，大約在4.2光年以外，這個距離相當于399233億公里；對于我們現(xiàn)在的科技來說，這是一個十分遙遠的距離。如果乘坐目前最快的宇宙飛船去比鄰星旅行，來回就得17萬年。
“流浪地球”計劃
恒星的能源對地球來說十分重要，這樣看來最近的比鄰星似乎是最優(yōu)選擇了。但比鄰星也許并不是那么的理想。首先，比鄰星的質(zhì)量比較小，因此也比較暗，而且會經(jīng)常爆發(fā)耀斑——這是一種大量能量的釋放，同時伴有物質(zhì)拋射。對于離比鄰星并不遙遠的居民來說，耀斑會帶來很大的麻煩。如果地球進入環(huán)繞比鄰星的軌道，耀斑很可能會對生態(tài)圈產(chǎn)生致命的打擊。
另一個問題在于，比鄰星附近還有其他兩顆恒星。地球進入任何一顆恒星的系統(tǒng)后都會受到其他恒星引力的影響，地球軌道很難處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，比鄰星也許并不適合作為人類的第二個家園。
看完這部電影后，除了視覺上的滿足，我們更會感受到地球的脆弱。在廣袤的宇宙中，目前并未發(fā)現(xiàn)別的生命痕跡。我們的存在似乎有太多的偶然：穩(wěn)定的太陽，適宜的溫度，保護生命的大氣，滋潤萬物的水……同時，人類的偉大也讓我們振奮。在保衛(wèi)自己生存的權(quán)利時，人類沒有一絲迷茫，只是拼盡全力，爭取最后的希望。正是生命的不懈與拼搏，彰顯著宇宙的活力和生機。
參考資料：
[1] 米爾恰·伊利亞德，《神圣的存在——比較宗教的范型》，廣西師范大學出版社（2008）
[2] F·霍伊爾，J·納里卡，《物理天文學前沿》，湖南科學技術(shù)出版社（2007）
[3] https://www.cnbeta.com/articles/science/816409.htm
[4] http://tech.qq.com/a/20190206/000751.htm
[5] Dan Maoz, Astrophysics in a Nutshell, Princeton University Press(2016)
[6] https://mp.weixin.qq.com/s/FCpkcb3lN9L-09IQrb4urQ
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