《流浪地球》里的科學故事

　　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(jié)檔期收獲票房冠軍。電影根據(jù)劉慈欣同名科幻小說改編而來，講述了一個發(fā)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(lián)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(fā)動機，每個產(chǎn)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(xiàn)有軌道，駛向距離太陽系最近的一顆恒星——比鄰星，從而開啟了一段長達2500年的星際旅行。

　　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。

　　太陽什么時候會滅亡？

　　太陽誕生于約50億年前的一次星云坍縮，太陽系的其它行星緊跟其后。太陽提供的能量來自于其中心氫氣的聚核反應，如同大量氫彈在太陽內(nèi)部不斷爆炸，按照現(xiàn)有的數(shù)據(jù)估算，這種聚核反應總共將持續(xù)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(fā)現(xiàn)太陽異常，并預測太陽將進入紅巨星膨脹階段，在接下來的數(shù)百年時間里淹沒地球軌道。紅巨星是恒星燃燒到后期所經(jīng)歷的一個較短的不穩(wěn)定階段。不過人類學家曾經(jīng)估算過，因為周圍環(huán)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(jīng)更為悲觀，因為人類使用能源的沒有效率，預言幾百年后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(jīng)移到太陽系的宜居區(qū)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(qū)。

　　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恒星，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，那里的環(huán)境適合人類生存嗎？

　　根據(jù)哈勃等強大望遠鏡對于半人馬座比鄰星的多項觀測，我們還是可以了解到有關這個恒星的不少信息。半人馬座比鄰星質(zhì)量只有太陽質(zhì)量的七分之一，屬于紅矮星，它的亮度比太陽低。

　　在劉慈欣寫《流浪地球》這篇小說的1999年，人們并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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了一個和地球非常類似的行星，它的質(zhì)量大約是地球質(zhì)量的1.3倍，公轉(zhuǎn)周期為11.2天，位于半人馬座比鄰星的宜居區(qū)當中。天文學家使用了一個名為“地球相似指數(shù)”的參數(shù)，來描述這一行星和地球的相似度，“黯淡紅點”的相似指數(shù)高達86%。

　　即便如此，這顆行星的某些性質(zhì)與地球仍相差甚遠。因為半人馬座比鄰星質(zhì)量遠低于太陽，所以圍繞半人馬座比鄰星的宜居區(qū)也相應地更加靠近中心恒星。又因二者非常靠近，天文學中非常常見的一種現(xiàn)象便會出現(xiàn)——潮汐鎖定。潮汐鎖定使得行星只有一面朝向中心恒星。在某種程度上，這類似于我們熟悉的月亮，我們只能看到月球的一面。所以，行星永遠朝向中心恒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，那就是中心恒星頻繁的爆發(fā)現(xiàn)象。盡管半人馬座比鄰星質(zhì)量比太陽質(zhì)量小，但它的爆發(fā)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，這對于行星上的生命來說無異于一場災難。更糟糕的是，一旦潮汐鎖定，根據(jù)現(xiàn)有的理論，行星產(chǎn)生磁場的可能性就會非常小，如果劇烈的恒星風持續(xù)吹來，即便行星上有大氣，在恒星風的作用下也會逐漸逃逸直至消失殆盡。

　　基于對半人馬座比鄰星環(huán)境的以上推測，半人馬座比鄰星可能并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(fā)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(shù)”較高的宜居區(qū)的另一顆恒星。

　　人類是否能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動？

　　在“流浪地球”計劃中的第一步就是讓地球停止轉(zhuǎn)動，盡管在電影中沒有直接展現(xiàn)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(zhuǎn)動是否可以實現(xiàn)。

　　我們先來了解一下地球的轉(zhuǎn)動能量是多少，可以很容易從網(wǎng)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于1百萬個TNT當量，或者相當于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(zhuǎn)動能量大約相當于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(chǎn)生能量的能力將極大提高。按照電影所說，每個行星發(fā)動機通過重核聚變能夠產(chǎn)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(fā)動機如果能夠在赤道上持續(xù)不斷地產(chǎn)生反推力，那么也需要21857天（大約60年）的時間才能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動。

　　不過按照電影所言，人類制造了一萬個這樣的行星發(fā)動機，其中一部分是位于赤道之上用于減速的，如果數(shù)量可以達到100個左右的話，那么就可以在相對比較短的時間停止地球轉(zhuǎn)動。這在理論上是可能的，不過實現(xiàn)的難度也不算小。

　　一旦地球停止轉(zhuǎn)動，將會發(fā)生什么？

　　最直接的一個效應就是，沒有了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動的時候，因為離心力的緣故，作為液態(tài)的海洋會朝向赤道附近聚集，所以一旦地球停止轉(zhuǎn)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。

　　那么人類有可能還在地球表面生存嗎？根據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)一系列的全球地震或者海嘯。

　　而且，因為沒有了轉(zhuǎn)動，所以地球?qū)泄潭ǖ囊幻娉蛱?，另外一面將一直處于黑夜當中，就仿佛我們在南極或者北極所經(jīng)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(fā)動機救援修復設備時，也提到了穿越極夜區(qū)。盡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。

　　為什么流浪地球要駛?cè)肽拘侵車?/strong>