《流浪地球》里的科学故事：比邻星是可能的归宿吗？

《流浪地球》里的科学故事

大年初一，中国科幻电影《流浪地球》登陆各大影院，在竞争激烈的春节档期收获票房冠军。电影根据刘慈欣同名科幻小说改编而来，讲述了一个发生在不远未来的故事：太阳急剧老化，随时都有可能进入到红巨星的膨胀阶段，地球也将因此被吞噬。在此危急关头，为了地球人的存亡，地球上的联合共和国作出了一项紧急决定，在地球上建造上万座重核聚变行星发动机，每个产生上百万亿吨的推力，把地球当成一个庞大的宇宙飞船，驶离现有轨道，驶向距离太阳系最近的一颗恒星——比邻星，从而开启了一段长达2500年的星际旅行。

今天，我们就电影中涉及到的一些科学故事来聊一聊，也不失为一件有趣的事。

太阳什么时候会灭亡？

太阳诞生于约50亿年前的一次星云坍缩，太阳系的其它行星紧跟其后。太阳提供的能量来自于其中心氢气的聚核反应，如同大量氢弹在太阳内部不断爆炸，按照现有的数据估算，这种聚核反应总共将持续约100亿年，所以，太阳还可以再燃烧50亿年左右。

在小说《流浪地球》中，科学家发现太阳异常，并预测太阳将进入红巨星膨胀阶段，在接下来的数百年时间里淹没地球轨道。红巨星是恒星燃烧到后期所经历的一个较短的不稳定阶段。不过人类学家曾经估算过，因为周围环境的各种变化，人类在地球上还可以存在的时间大约是200万年。而物理学家霍金曾经更为悲观，因为人类使用能源的没有效率，预言几百年后就需要考虑离开地球。

在某个时间，地球在被淹没之前就已经移到太阳系的宜居区之外，不再适合生命存在，反而在那个时候，火星将完全进入宜居区。

比邻星是可能的归宿吗？

半人马座比邻星是除太阳之外距离地球最近的一颗恒星，距离我们4.2光年。如果真的有“流浪地球”计划，地球真的流浪到半人马座比邻星周围，那里的环境适合人类生存吗?

根据哈勃等强大望远镜对于半人马座比邻星的多项观测，我们还是可以了解到有关这个恒星的不少信息。半人马座比邻星质量只有太阳质量的七分之一，属于红矮星，它的亮度比太阳低。

在刘慈欣写《流浪地球》这篇小说的1999年，人们并不知道半人马座比邻星周围是否有行星存在。而在2016年年底，欧洲南方天文台一个名为“黯淡红点”的发现让天文学家和大众都非常兴奋——科学家们在半人马座比邻星周围发现了一个和地球非常类似的行星，它的质量大约是地球质量的1.3倍，公转周期为11.2天，位于半人马座比邻星的宜居区当中。天文学家使用了一个名为“地球相似指数”的参数，来描述这一行星和地球的相似度，“黯淡红点”的相似指数高达86%。

即便如此，这颗行星的某些性质与地球仍相差甚远。因为半人马座比邻星质量远低于太阳，所以围绕半人马座比邻星的宜居区也相应地更加靠近中心恒星。又因二者非常靠近，天文学中非常常见的一种现象便会出现——潮汐锁定。潮汐锁定使得行星只有一面朝向中心恒星。在某种程度上，这类似于我们熟悉的月亮，我们只能看到月球的一面。所以，行星永远朝向中心恒星的一面温度会很高，而另外一面温度很低。

在潮汐锁定之外，还有一个更为重要的问题，那就是中心恒星频繁的爆发现象。尽管半人马座比邻星质量比太阳质量小，但它的爆发频率和释放出来的能量要比太阳大得多。半人马座比邻星的行星上所接收到的紫外辐射，比地球上用来杀死病菌的紫外线强度还要高出100倍以上，这对于行星上的生命来说无异于一场灾难。更糟糕的是，一旦潮汐锁定，根据现有的理论，行星产生磁场的可能性就会非常小，如果剧烈的恒星风持续吹来，即便行星上有大气，在恒星风的作用下也会逐渐逃逸直至消失殆尽。

基于对半人马座比邻星环境的以上推测，半人马座比邻星可能并不是一个非常适合地球流浪的目的地。也许，随着科技的高速发展，人类还可以找到除太阳之外距离地球较近、周围有“地球相似指数”较高的宜居区的另一颗恒星。

人类是否能够让地球停止转动？

在“流浪地球”计划中的第一步就是让地球停止转动，尽管在电影中没有直接展现这一场景，但是电影当中的旁白中有所提及，让我们就先来看一下这个停止转动是否可以实现。

我们先来了解一下地球的转动能量是多少，可以很容易从网络上搜索到，是2.24×1029焦耳，这个能量是非常巨大的。

让我们做一个简单的对比：一颗原子弹释放出来的能量差不多相当于1百万个TNT当量，或者相当于4.2×1015焦耳，而历史上实验过的释放能量最强的大伊万氢弹，释放的能量差不多是5000万TNT当量，或者就是2.1×1017焦耳。地球的转动能量大约相当于1万亿(1012)个大伊万氢弹同时爆炸。

不过或许在不远的未来，人类能够熟练掌握了重核聚变能力的话，产生能量的能力将极大提高。按照电影所说，每个行星发动机通过重核聚变能够产生150万亿吨的推力。通过简单计算我们可以推论，这样一台发动机如果能够在赤道上持续不断地产生反推力，那么也需要21857天(大约60年)的时间才能够让地球停止转动。

不过按照电影所言，人类制造了一万个这样的行星发动机，其中一部分是位于赤道之上用于减速的，如果数量可以达到100个左右的话，那么就可以在相对比较短的时间停止地球转动。这在理论上是可能的，不过实现的难度也不算小。

一旦地球停止转动，将会发生什么？

最直接的一个效应就是，没有了转动，目前地球上几乎所有的大陆都会被海洋所淹没，这一点在电影当中有所提及。原因很简单，在地球转动的时候，因为离心力的缘故，作为液态的海洋会朝向赤道附近聚集，所以一旦地球停止转动，这些水会向两极流动，从而造成大陆被淹没。在电影当中，人类移居到了地下生活。

那么人类有可能还在地球表面生存吗?根据美国ESRI公司的动画模拟，最终几乎所有的大陆都会被淹没，只剩下赤道附近的一圈超级大陆凸显出来。值得指出的是，即使这赤道附近的唯一大陆，也是充满了很多危险。在转动的时候，同样是因为离心力的作用，地球的赤道地壳会显得更为突出一点，然而在没有转动的时候，赤道附近缺少离心力，所以很可能会导致板块坍缩，从而引发一系列的全球地震或者海啸。

而且，因为没有了转动，所以地球将会有固定的一面朝向太阳，另外一面将一直处于黑夜当中，就仿佛我们在南极或者北极所经历的极昼或者极夜那样。电影中的中国救援队长在地球表面运送行星发动机救援修复设备时，也提到了穿越极夜区。尽管有地球大气的存在，但是远离太阳的一面，还是会因为长期得不到太阳的照射，从而温度变得很低，不太适合生命的存在。

为什么流浪地球要驶入木星周围？

整部电影所展现的一个主题就是如何摆脱木星的“刚体洛希极限”点。这里我们需要先明白地球驶入木星周围的原因。

木星引力是如此之强，为何地球不躲着木星行驶?其实在电影当中，联合共和国政府本来想通过一种叫作“引力弹弓”的效应，使用木星对地球进行加速，没想到部分行星发动机失效，导致地球被木星吸引而逐渐进入木星的“刚体洛希极限”，出现了电影当中所呈现的灾难。其实引力弹弓效应在探测器飞行中被广泛使用，通常被当作一种节省能源的加速方式，“旅行者一号”探测器就是利用木星和土星两次引力加速，才得以逃出太阳系。

这个效应的原理其实非常简单，因为行星本身也在围绕太阳转动，所以当行星吸引探测器或者其它天体的同时，就实际上赋予了探测器或者其它天体一部分速度，当探测器或者其它天体逃离出去的时候，就相当于被加速了。我们可以举一个简单的类似例子来理解。

如果我们站在静止的地面上向运动的火车顶上扔一个网球，在网球被弹起来的时候，地面上静止的人看到网球的速度，其实就是火车速度和网球原来速度的叠加。所以当天体从某个行星周围逃离的时候，其实就是本来的速度和天体速度的叠加。

“流浪地球”，这个大胆而美丽的想象值得我们向往。作为中国第一部科幻大片，《流浪地球》带给我们很多欣喜。中国的科幻电影之路，也如中国的科学发展之路，路漫漫其修远兮，还需大家的共同努力。(苟利军 中科院国家天文台研究员;黄月 媒体人)