在觀看電影的過程中，我試著將自己當作一個“電影宇宙”的觀察者，思考《流浪地球》宇宙觀中的科學問題。下面我想和大家分享一下我對《流浪地球》中幾個科學問題的思考。

一、太陽的變化

在電影《流浪地球》中，太陽亮度的增加是地球不得不背井離鄉(xiāng)，遠遁太空的原因，但現(xiàn)實世界中的太陽，真的會發(fā)生這樣的變化嗎？

絕大多數(shù)人可能從未想過，有一天太陽會改變。在過去的46億年里，太陽一直持續(xù)穩(wěn)定地為地球提供能量。這種能量來自于太陽核心發(fā)生的氫元素聚變反應(yīng)——每4個氫原子核通過一系列的中間反應(yīng)最終形成1個氦原子核。而1個氦原子的質(zhì)量略小于4個氫原子之和，這中間的質(zhì)量差別按照愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2， 轉(zhuǎn)化成了太陽的能量。這些能量中的絕大部分以光的形式發(fā)出，剩下的則由中微子攜帶。每一秒鐘太陽會將六億噸的氫原子轉(zhuǎn)化為氦原子，產(chǎn)生的能量中有極其微小的一部分被地球接收到，供給地球上的生命所需。

太陽自身有非常穩(wěn)定的調(diào)節(jié)機制，保證光熱的穩(wěn)定輸出：如果太陽內(nèi)部的熱核聚變反應(yīng)因為某種原因略微加速，就會引起內(nèi)部溫度升高。這種升溫會使得太陽整體微微地膨脹，從而使得核心溫度和壓力回復(fù)正常。對于太陽來說，這種調(diào)節(jié)在很短的時間里就可以完成。太陽自身發(fā)光的不穩(wěn)定程度只有大約千分之一，造成的影響遠遠小于不同季節(jié)帶來的差別。宇宙中相當多的恒星做不到像太陽這樣穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，例如，我們熟知的獵戶座第二亮星——參宿四就會因為不斷地進行膨脹收縮，而在數(shù)百天時間里亮度變化超過2倍。

在過去的40億年里，太陽的整體亮度上升了大約20%。這種變化對于地球的生命演化產(chǎn)生了重要的影響，但是，在一個單一物種存續(xù)的時間（百萬年到千萬年）里，太陽的變化不會產(chǎn)生顯著效應(yīng)。如果太陽按照物理規(guī)律演化，那么在未來的10億年里，太陽的能量輸出將上升10%，這可能會引發(fā)地球上失控的溫室效應(yīng)。但這是非常長的時間尺度，在這之前人類自己引發(fā)的全球變暖就會造成嚴重的影響。

在《流浪地球》的原著中，科學家觀察到太陽核心的演化加速了，并且在地球逃離到木星附近時就已轉(zhuǎn)變成為了一顆紅巨星，完全吞噬了金星和水星。從天文學的角度來看，太陽確實會在未來的某個時刻開始向紅巨星轉(zhuǎn)化。這是因為太陽核心的氫元素在聚變?nèi)紵�后會轉(zhuǎn)化為暫時無法聚變的氦元素，沉積在太陽中心，形成一個致密的核。當這個致密的核變大，原本在太陽核心發(fā)生的氫核聚變?nèi)紵�，就轉(zhuǎn)變?yōu)樵谥旅艿暮ず酥�外發(fā)生。這種轉(zhuǎn)變會使得太陽失去穩(wěn)定性調(diào)節(jié)機制，能量產(chǎn)出不斷增加，并且體積開始膨脹，變得更紅。天文學上稱處于這個階段的恒星為“紅巨星”。在這種演化的末期，紅巨星中心積累了足夠高的溫度，最終會使得氦構(gòu)成的核心開始聚變，失控的氦核心燃燒會在數(shù)秒的短暫時間內(nèi)釋放出巨大的能量，這被稱作“氦閃”。

在原著中，太陽一直沒有發(fā)生明顯可見的變化，直到氦閃發(fā)生。地球之所以迫切需要逃離也是因為要躲避“氦閃”。但在實際的恒星演化圖景中，氦閃僅僅是太陽在第一次紅巨星演化的終點，早在氦閃發(fā)生之前，太陽就已經(jīng)變成了非常巨大并且灼熱的紅巨星了。氦閃因為發(fā)生在太陽核心，實際上地球上的觀察者也并不會看到像原著一樣震撼的爆發(fā)現(xiàn)象。在電影版《流浪地球》中，太陽的變化已經(jīng)不像原著中那樣戲劇化，變得較為和緩。

不過，請大家務(wù)必放心，天文學家目前對于太陽這樣質(zhì)量的單獨恒星演化了解得相當清楚，無論從理論上還是觀測上，都不支持太陽會在未來的數(shù)百年里發(fā)生電影中那樣的變化。由人類自己造成的全球變暖問題可能才是現(xiàn)實中地球最大的危機。

二、推進地球的動力

在《流浪地球》的故事中，地球的旅途分為四個階段。首先，通過轉(zhuǎn)向引擎，使得地球停止自轉(zhuǎn)；第二步，地球的推進引擎啟動，地球開始脫離自身的軌道。因為推進引擎只能提供很小的加速度，地球在逃離太陽之前仍然會繞著太陽轉(zhuǎn)很多圈，逐步地改變軌道的形狀，從圓形軌道變成一個扁扁的橢圓軌道，最終逃離太陽的引力束縛，飛向太空；第三步，地球會用500年時間加速到光速的千分之五，也就是1500公里/秒的速度。地球會用這個速度滑行1300年；第四步，在接近目的地時，地球會用另一個500年減速，泊入新的太陽的軌道。這個新的太陽就是距離太陽最近的恒星——4.2光年之外的比鄰星。整個過程持續(xù)大約2500年。

牛頓第三定律告訴我們：如果你向后拋出一些東西，你就會獲得向前運動的加速度。如果地球想要逃離太陽，它需要向前進的反方向拋棄自己一部分的質(zhì)量。這些被拋棄的物質(zhì)在被拋出時相對地球的速度越快，地球獲得的前進加速度也越多。

雖然流浪地球的最快速度只有光速的千分之五，但對于人類目前的技術(shù)能力，依然是一個艱巨的挑戰(zhàn)。人類目前最快的宇宙飛船，旅行者1號當前的速度大約是17公里/秒。流浪地球的最終速度會是旅行者1號的90倍。考慮到《流浪地球》故事開始的年代距離今天不遠，在人類已經(jīng)進行概念設(shè)計的未來火箭能源中，最為可能在《流浪地球》時代實現(xiàn)的是核動力引擎。

在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后不久，美國核物理學家烏拉姆曾提出一個大膽的飛船設(shè)想——利用原子彈產(chǎn)生的威力推進飛船前進。在這個藍圖中，太空飛船實際上是向后放出一系列氫彈，讓它們在太空中爆炸。在此基礎(chǔ)上，泰德·泰勒和弗里曼·戴森提出了著名的獵戶座計劃。只要帶上一些原子彈，人類就可以很容易地將巨大的飛船送到火星。而之后由英國人提出的代達羅斯計劃更加宏偉，以氫聚變?yōu)槟芰吭�，飛船可以在50年的時間里將人類送到臨近的恒星——巴納德。在代達羅斯計劃的藍圖中，飛船將攜帶超過5萬噸的氦3和氘作為燃料，將一個大約500噸的飛船送到另一顆恒星�？紤]到地球上很難收集到如此多的氦3和氘，代達羅斯計劃的設(shè)計者們實際上希望在月球或者木星上開采這些燃料。

對于推進流浪地球來說，要想收集到足夠推進整個地球的氦3和氘則更加困難。影片實際上提到流浪地球的推進引擎的能量來源是“重元素聚變”。是的，不僅僅是輕元素可以聚變，事實上，在恒星演化晚期，碳、氮、氧、硅等元素也可以通過核聚變轉(zhuǎn)化為更重的元素，并釋放能量。對地球來說，最好的燃料應(yīng)該是氧和硅，它們加起來占了地殼質(zhì)量的74%。所以在影片中，我們看到燃料采集車直接挖取山石。在影片的科學設(shè)定下，這些山石可能只需要簡單的處理就可以作為引擎的核聚變?nèi)剂稀?/p>

在恒星內(nèi)部，氧（16O）有多種聚變方式。最為常見的是兩個氧原子核（16O ）聚變產(chǎn)生一個 硅原子核（28Si）和一個 氦原子核（4He），同時產(chǎn)生9.6Mev 能量——大概相當于2個氧原子總質(zhì)量的萬分之三。相比之下，在太陽內(nèi)部發(fā)生的由4個氫原子核聚變?yōu)橐粋�氦原子的聚變反應(yīng)生產(chǎn)能量的效率要高得多，可以將起始的氫原子的千分之七的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。當然，硅和氦也可以進一步地聚變，產(chǎn)生更多的能量，但總的來看，能量釋放效率依然不及氫聚變的效率。

如果我們假設(shè)氧聚變產(chǎn)生的所有能量，都用來加速產(chǎn)物中的硅， 使其直接噴射出去， 那么后者可以達到光速的3%左右。我們還記得流量地球最終需要達到光速的千分之五，簡單地套用火箭公式來計算地球最終消耗掉的質(zhì)量，我們會發(fā)現(xiàn)地球在加速過程中需要損失掉自己20%的質(zhì)量。這對地球來說可不是一個小事，地球的結(jié)構(gòu)會因此發(fā)生顯著的變化。不過，通過更加合理地設(shè)計地球噴射引擎，用核聚變的能量來發(fā)電，并用電磁力驅(qū)動輕離子噴射，而非直接噴射核聚變產(chǎn)物，地球?qū)⒖梢园呀^大多數(shù)的質(zhì)量存留下來。不過，這仍然會永久地改變地球地殼中的元素構(gòu)成。

不過，不管怎么說，物理學基本定律尚未阻止人類帶著地球脫離太陽系。

星際旅行是科幻小說長盛不衰的母題，但常見的科幻設(shè)定都可以分為兩類：上策是利用“蟲洞”或者“空間折疊”來打破愛因斯坦的相對論限制，實現(xiàn)超越光速地旅行；下策是通過光速飛船來完成恒星間的遷徙。劉慈欣則獨辟蹊徑，將地球整體作為飛船。這可以最大限度的保存人類的生命，而且所依靠的技術(shù)并未太過超出物理現(xiàn)實。正是這種高配飛船加低配引擎的組合，制造出了電影中磅礴的場面和悲壯的故事。

三、為什么要靠近木星

《流浪地球》影片中，地球在靠近木星的過程中，被木星的引力捕獲，產(chǎn)生了災(zāi)難性的后果。不過，為什么地球在逃亡的旅途上需要靠近木星呢？我想這主要是為了借助木星的引力彈弓效應(yīng)來進行加速。

下圖是我從《漫步到宇宙盡頭》中摘取的一個示例圖。在開始的時候，飛船以速度v飛向行星，在行星的引力作用下，飛船的飛行方向完全改變，速度增加了2U。這很像是迎著火車前進的方向扔一個棒球，在碰撞后，棒球完全被反彈回來，并且從火車身上獲得了新的動能。在引力彈弓變軌過程中，行星將動能傳遞給了飛船，并且改變了飛船的速度方向。

引力彈弓效應(yīng)：飛船以速度V，飛向速度為U的行星，在行星的引力作用下，飛船的飛行方向完全改變，速度增加了2U。飛船在這個過程中借助行星引力獲得了 “加速”效果。

引力彈弓效應(yīng)早在上世紀七八十年代，就被廣泛地引用于太陽系的深空探測。這其中最為著名的當屬旅行者號的“偉大航路（grand tour）”。在1980年前后，木星、土星、天王星和海王星形成一個比較獨特的排列：它們都會運行到太陽系的同一側(cè)。這種175年一遇的特殊行星排列，給了旅行者號多次借助行星引力彈弓效應(yīng)的機會。旅行者1號和2號得以一次訪問太陽系的好幾顆行星，并且可以達到很高的航速，飛出太陽系。

流浪地球計劃毫無疑問也是想要借助木星的引力彈弓效應(yīng)來加快速度。不過，和旅行者號不同，流浪地球有相當強勁的核動力引擎。借助木星的引力彈弓效應(yīng)，流浪地球可以獲得10km/s左右的加速，這相比于流浪地球最終1500km/s的航速微不足道。雖然，借助木星的引力彈弓，地球可以省幾年的航行時間，但考慮到總的流浪旅途長達2500年，這種風險似乎并不值得。地球也許不需要靠木星那么近，完全可以借助木星進行一個比較溫和的引力加速。事實上只要和木星距離拉開到30倍的月地距離，木星在地球上產(chǎn)生的潮汐效應(yīng)，就和月球?qū)Φ厍虻某毕�效�?yīng)差不多了。

在影片中，地球之所以被木星捕獲，是因為木星突然出現(xiàn)了“引力增幅”。需要指出，對于現(xiàn)實物理世界來說，一個天體的引力，完全由其質(zhì)量決定，不會出現(xiàn)突然的增加。所以，對于今天的深空探測來說，計算飛船的軌道并不算是難事。除了最初的幾次實驗，人類飛行器在歷史上幾乎沒有在借助行星引力加速時出現(xiàn)過重大失誤。

木星出現(xiàn)“引力增幅”的設(shè)定，事實上很難解釋；圖片來自網(wǎng)絡(luò)

四、點燃木星

在影片的高潮階段，地球落向木星。主人公突然想到：木星大氣主要是由氫氣組成的，而地球大氣則包含20%的氧氣。為了使地球脫離木星的引力，救援隊點燃了木星和地球大氣的混合氣體，產(chǎn)生了巨大的沖擊波，將地球推離了木星。

這個橋段大概是讓我最覺得“感覺不太對”的地方了。氫和氧氣混合爆燃，其本質(zhì)上仍然是化學燃燒。如果說氧的聚變反應(yīng)可以將氧的質(zhì)量的萬分之三轉(zhuǎn)化為能量。那么氫和氧的化學燃燒過程，只可以將這些燃料質(zhì)量的百億分之一轉(zhuǎn)化為能量。

而地球上大氣層里所有的氧氣占地球總質(zhì)量不過千萬分之二。即使地球上所有的氧氣都已經(jīng)和木星混合，并且充分燃燒，其燃燒產(chǎn)生的能量完全用于加速地球，地球也只會獲得微小的加速度。此外，我們很難期待發(fā)生在木星表面的爆炸沖擊波有非常精確的指向性，恰好能將能量聚焦在遠在數(shù)千公里之外的地球身上。樂觀估計，也許只有百分之幾的能量可以用于加速地球。這一點點的推力，是否恰好可以將地球推離木星的引力陷阱呢？在現(xiàn)實世界里，我持非常悲觀的態(tài)度。但也許“無巧不成書”才是構(gòu)成傳奇的基礎(chǔ)吧。

五、比鄰星是否是合適的家園

流浪地球的目的地是比鄰星。比鄰星是距離地球最近的恒星，但很難說它是一個理想的新家園。最大的問題在于：比鄰星過于暗淡，只有太陽質(zhì)量的十分之一，勉強達到核心發(fā)生核聚變的標準。這樣的恒星會展現(xiàn)出很大的不穩(wěn)定性，表現(xiàn)在高頻率的恒星耀斑爆發(fā)。太陽也會有耀斑爆發(fā)，在很短的時間里向宇宙空間釋放大量能量，并且伴以大量的物質(zhì)拋射。在耀斑強烈的時候，地球上的無線電通訊會受到其干擾，但不會對人類生活造成太大的影響。但在比鄰星軌道，這種耀斑爆發(fā)有可能造成災(zāi)難性后果。這是因為比鄰星太過暗淡，地球如果要想充分接收比鄰星的能量，讓冰凍的海洋融化，需要非常靠近比鄰星，其軌道距離只有目前日地距離的1/20。一旦耀斑爆發(fā)，地球因為距離更近，也將受到更大的影響。在2018年，科學家觀察到了比鄰星一次超級耀斑爆發(fā)，從地球上觀察，比鄰星在耀斑爆發(fā)時亮度比起平時增加了68倍。地球如果泊入這樣的恒星軌道，在耀斑爆發(fā)時，地球生態(tài)圈可能受到毀滅性打擊。

另外，比鄰星處于一個三合星系統(tǒng)。和比鄰星相鄰的兩顆恒星倒是和太陽很類似，但是它們之間的距離非常近。如果地球進入任何一顆恒星的軌道，難免不受到另一顆恒星的引力影響，很難處于穩(wěn)定狀態(tài)。這樣看來，比鄰星也許只能作為流浪地球的一個中途補給站。地球可以在這里獲得燃料補充，但無法將這里當做久居之地。

比鄰星是離地球最近的恒星，一個三星系統(tǒng)，它也許并非理想家園（圖中太陽和比鄰星三星比例，從左到右為：太陽，半人馬alpha-A，半人馬Alphea-B， 比鄰星）；圖片來自網(wǎng)絡(luò)

在太陽臨近的5秒差距（大約16光年）內(nèi)有52顆恒星，這些恒星都可以作為流浪地球最終的備選之地。例如，距離太陽12光年的Tau Ceti也許就是一個不錯的選擇，其亮度大概是太陽的一半，而且看起來非常穩(wěn)定。這顆恒星目前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)擁有5顆行星，其中一顆甚至可能有適宜的溫度，可以支持液態(tài)水存在。

我真切地希望，在流浪地球的旅途中，聯(lián)合政府不要忘記資助天文學家的工作，他們的研究一定會為地球最終家園的選擇提供可靠的資料。

文/李然 （國家天文臺星云計劃研究員）