《流浪地球》里的科學(xué)故事

大年初一，中國(guó)科幻電影《流浪地球》登陸各大影院，在競(jìng)爭(zhēng)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(shuō)改編而來(lái)，講述了一個(gè)發(fā)生在不遠(yuǎn)未來(lái)的故事：太陽(yáng)急劇老化，隨時(shí)都有可能進(jìn)入到紅巨星的膨脹階段，地球也將因此被吞噬。在此危急關(guān)頭，為了地球人的存亡，地球上的聯(lián)合共和國(guó)作出了一項(xiàng)緊急決定，在地球上建造上萬(wàn)座重核聚變行星發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)產(chǎn)生上百萬(wàn)億噸的推力，把地球當(dāng)成一個(gè)龐大的宇宙飛船，駛離現(xiàn)有軌道，駛向距離太陽(yáng)系最近的一顆恒星——比鄰星，從而開(kāi)啟了一段長(zhǎng)達(dá)2500年的星際旅行。

今天，我們就電影中涉及到的一些科學(xué)故事來(lái)聊一聊，也不失為一件有趣的事。

太陽(yáng)什么時(shí)候會(huì)滅亡？

太陽(yáng)誕生于約50億年前的一次星云坍縮，太陽(yáng)系的其它行星緊跟其后。太陽(yáng)提供的能量來(lái)自于其中心氫氣的聚核反應(yīng)，如同大量氫彈在太陽(yáng)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(yīng)總共將持續(xù)約100億年，所以，太陽(yáng)還可以再燃燒50億年左右。

在小說(shuō)《流浪地球》中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)異常，并預(yù)測(cè)太陽(yáng)將進(jìn)入紅巨星膨脹階段，在接下來(lái)的數(shù)百年時(shí)間里淹沒(méi)地球軌道。紅巨星是恒星燃燒到后期所經(jīng)歷的一個(gè)較短的不穩(wěn)定階段。不過(guò)人類學(xué)家曾經(jīng)估算過(guò)，因?yàn)橹車h(huán)境的各種變化，人類在地球上還可以存在的時(shí)間大約是200萬(wàn)年。而物理學(xué)家霍金曾經(jīng)更為悲觀，因?yàn)槿祟愂褂媚茉吹臎](méi)有效率，預(yù)言幾百年后就需要考慮離開(kāi)地球。

在某個(gè)時(shí)間，地球在被淹沒(méi)之前就已經(jīng)移到太陽(yáng)系的宜居區(qū)之外，不再適合生命存在，反而在那個(gè)時(shí)候，火星將完全進(jìn)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(yáng)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(jì)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(qiáng)大望遠(yuǎn)鏡對(duì)于半人馬座比鄰星的多項(xiàng)觀測(cè)，我們還是可以了解到有關(guān)這個(gè)恒星的不少信息。半人馬座比鄰星質(zhì)量只有太陽(yáng)質(zhì)量的七分之一，屬于紅矮星，它的亮度比太陽(yáng)低。

在劉慈欣寫(xiě)《流浪地球》這篇小說(shuō)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(tái)一個(gè)名為“黯淡紅點(diǎn)”的發(fā)現(xiàn)讓天文學(xué)家和大眾都非常興奮——科學(xué)家們?cè)诎肴笋R座比鄰星周圍發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(dāng)中。天文學(xué)家使用了一個(gè)名為“地球相似指數(shù)”的參數(shù)，來(lái)描述這一行星和地球的相似度，“黯淡紅點(diǎn)”的相似指數(shù)高達(dá)86%。

即便如此，這顆行星的某些性質(zhì)與地球仍相差甚遠(yuǎn)。因?yàn)榘肴笋R座比鄰星質(zhì)量遠(yuǎn)低于太陽(yáng)，所以圍繞半人馬座比鄰星的宜居區(qū)也相應(yīng)地更加靠近中心恒星。又因二者非常靠近，天文學(xué)中非常常見(jiàn)的一種現(xiàn)象便會(huì)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(yuǎn)朝向中心恒星的一面溫度會(huì)很高，而另外一面溫度很低。

在潮汐鎖定之外，還有一個(gè)更為重要的問(wèn)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(yáng)質(zhì)量小，但它的爆發(fā)頻率和釋放出來(lái)的能量要比太陽(yáng)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(lái)殺死病菌的紫外線強(qiáng)度還要高出100倍以上，這對(duì)于行星上的生命來(lái)說(shuō)無(wú)異于一場(chǎng)災(zāi)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(chǎng)的可能性就會(huì)非常小，如果劇烈的恒星風(fēng)持續(xù)吹來(lái)，即便行星上有大氣，在恒星風(fēng)的作用下也會(huì)逐漸逃逸直至消失殆盡。

基于對(duì)半人馬座比鄰星環(huán)境的以上推測(cè)，半人馬座比鄰星可能并不是一個(gè)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(yáng)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(dòng)？

在“流浪地球”計(jì)劃中的第一步就是讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，盡管在電影中沒(méi)有直接展現(xiàn)這一場(chǎng)景，但是電影當(dāng)中的旁白中有所提及，讓我們就先來(lái)看一下這個(gè)停止轉(zhuǎn)動(dòng)是否可以實(shí)現(xiàn)。

我們先來(lái)了解一下地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能量是多少，可以很容易從網(wǎng)絡(luò)上搜索到，是2.24×1029焦耳，這個(gè)能量是非常巨大的。

讓我們做一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比：一顆原子彈釋放出來(lái)的能量差不多相當(dāng)于1百萬(wàn)個(gè)TNT當(dāng)量，或者相當(dāng)于4.2×1015焦耳，而歷史上實(shí)驗(yàn)過(guò)的釋放能量最強(qiáng)的大伊萬(wàn)氫彈，釋放的能量差不多是5000萬(wàn)TNT當(dāng)量，或者就是2.1×1017焦耳。地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能量大約相當(dāng)于1萬(wàn)億(1012)個(gè)大伊萬(wàn)氫彈同時(shí)爆炸。

不過(guò)或許在不遠(yuǎn)的未來(lái)，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(shuō)，每個(gè)行星發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)重核聚變能夠產(chǎn)生150萬(wàn)億噸的推力。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算我們可以推論，這樣一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間才能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

不過(guò)按照電影所言，人類制造了一萬(wàn)個(gè)這樣的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dá)到100個(gè)左右的話，那么就可以在相對(duì)比較短的時(shí)間停止地球轉(zhuǎn)動(dòng)。這在理論上是可能的，不過(guò)實(shí)現(xiàn)的難度也不算小。

一旦地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，將會(huì)發(fā)生什么？

最直接的一個(gè)效應(yīng)就是，沒(méi)有了轉(zhuǎn)動(dòng)，目前地球上幾乎所有的大陸都會(huì)被海洋所淹沒(méi)，這一點(diǎn)在電影當(dāng)中有所提及。原因很簡(jiǎn)單，在地球轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，因?yàn)殡x心力的緣故，作為液態(tài)的海洋會(huì)朝向赤道附近聚集，所以一旦地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這些水會(huì)向兩極流動(dòng)，從而造成大陸被淹沒(méi)。在電影當(dāng)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(guó)ESRI公司的動(dòng)畫(huà)模擬，最終幾乎所有的大陸都會(huì)被淹沒(méi)，只剩下赤道附近的一圈超級(jí)大陸凸顯出來(lái)。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(xiǎn)。在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，同樣是因?yàn)殡x心力的作用，地球的赤道地殼會(huì)顯得更為突出一點(diǎn)，然而在沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，赤道附近缺少離心力，所以很可能會(huì)導(dǎo)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?yàn)闆](méi)有了轉(zhuǎn)動(dòng)，所以地球?qū)?huì)有固定的一面朝向太陽(yáng)，另外一面將一直處于黑夜當(dāng)中，就仿佛我們?cè)谀蠘O或者北極所經(jīng)歷的極晝或者極夜那樣。電影中的中國(guó)救援隊(duì)長(zhǎng)在地球表面運(yùn)送行星發(fā)動(dòng)機(jī)救援修復(fù)設(shè)備時(shí)，也提到了穿越極夜區(qū)。盡管有地球大氣的存在，但是遠(yuǎn)離太陽(yáng)的一面，還是會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期得不到太陽(yáng)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>