流浪 為了黑暗中的那束光

劉姝鈺

“氦閃”這個詞，最近伴隨著《流浪地球》的大熱，也走入普通大眾的視野。充滿科幻感的“氦閃”，在實際生活中真的會發(fā)生么？被大銀幕用來描繪世界末日的“太陽膨脹直至吞沒地球”，真的會出現(xiàn)么？答案是肯定的，只是真實發(fā)生的“太陽之死”，并不完全如科幻電影中所呈現(xiàn)的那樣。

在電影的設(shè)定中，“流浪地球”其實是人類的一場全員逃跑計劃。在流浪過程中，人類原本的生存環(huán)境變得極其惡劣，海水倒灌、超低溫、冰天雪地等景象，讓觀眾看得寒意陡升。與此同時，身處“地下城”的人們，再不能見到黑夜，見到星星，見到四季流轉(zhuǎn)、自然壯闊。在地下城學(xué)校里上學(xué)的學(xué)生，他們身旁的墻壁上安裝的只是一個電子屏窗戶，模擬著外界的景象——而當災(zāi)難來臨時，這塊通往外界的窗戶也“原形畢露”，成為了一個顯示著殘忍鮮紅數(shù)字的倒計時器。

萬物皆有終，太陽也不能避免

雖然太陽被稱為“恒星”，但“恒”并不代表真正的永恒。超新星爆炸后在宇宙中留下了富含氫元素的殘骸，一次“偶然”的引力不平衡讓這些殘骸物逐漸凝聚在一起，像滾雪球一樣越來越大，成為一顆以氫元素為核心的發(fā)光等離子體，恒星由此誕生。對于太陽這樣以燃燒氫為主的恒星而言，一旦核心的氫消耗殆盡，它的生命也就走向了晚年衰竭期。

引力除了吸引殘骸物聚集在一起形成星體雛形，它在恒星的一生中還發(fā)揮著一個重要作用，就是能量轉(zhuǎn)化。在引力持之以恒的拉扯下，聚集物不斷向恒星的中心收縮，形成強大的引力勢能，引力勢能轉(zhuǎn)換為熱能，中心溫度持續(xù)上升，當溫度上升到一定程度時，就觸發(fā)了核反應(yīng)。太陽的能量來源，就是由氫聚變?yōu)楹さ暮司圩兎磻?yīng)。在太陽中，四個氫原子核聚合在一起，通過一系列反應(yīng)，聚變?yōu)橐粋€氦原子核。而四個氫原子核的總質(zhì)量（4.0291個原子質(zhì)量單位）是大于一個氦原子核的（4.0015原子質(zhì)量單位），那在聚變過程中，多出來的這部分質(zhì)量去了哪里？根據(jù)著名的愛因斯坦方程式E=mc2（能量=質(zhì)量×光速2），多出來的這部分原本微小的質(zhì)量，在兩次與光速的乘積中也變身為了巨大的能量。這些能量以“光”與“熱”的形式普照于地球，滋養(yǎng)著萬物生靈。

太陽的熱核反應(yīng)對于地球的生存如此重要，但這樣的反應(yīng)并不是“恒久遠”的。熱核反應(yīng)每秒鐘聚變氫產(chǎn)生的氦堆積在太陽內(nèi)部，由于氦的分子量大于氫，太陽中心的密度逐步增大，內(nèi)部核反應(yīng)的速率也逐漸增加?？傆幸惶?，氫會消耗殆盡，太陽走向衰老，演化為“紅巨星”。

為什么被稱為“紅巨星”？此時太陽中心區(qū)域的氫已基本燃盡，核聚變反應(yīng)也隨之終止，物質(zhì)開始向中心塌縮，中心溫度不斷升高也帶動外圍升溫，點燃了原本處于外圍“安全地帶”的氫氣層，驅(qū)使太陽不斷向外膨脹，半徑甚至會達到現(xiàn)在的200倍左右，稱之為“紅巨星”實在名副其實。這時候的太陽就像貪婪的野獸，不斷膨脹并不斷吞沒周圍的行星，比如水星和金星。目前一些科學(xué)估算顯示，在膨脹的同時，太陽的一部分質(zhì)量也在流失，對地球的引力也在減弱，地球也許可以僥幸逃出這張血盆大口，避免電影中設(shè)定的“太陽膨脹直至吞沒地球”，可是依然不能幸免于難——因為彼時太陽輻射出超過現(xiàn)在兩倍的能量，足以將地球烤干。

總有一天，氫會消耗殆盡，太陽走向衰老，演化為“紅巨星”。

除此之外，就是“氦閃”的發(fā)生，這會讓地球更痛快地迎接死亡。不同于小說《流浪地球》中太陽先“氦閃”再變身“紅巨星”的設(shè)定，實際上氦閃是發(fā)生于紅巨星之后。太陽內(nèi)部溫度不斷升高點燃聚集在這里的氦，發(fā)生氦變成碳的核反應(yīng)。令人驚奇的是，氦被點燃的過程將非常迅速，相當于太陽質(zhì)量40%的氦在短短幾分鐘內(nèi)燃燒成碳，瞬間釋放出太陽正常狀態(tài)下持續(xù)百萬年釋放的能量，這種現(xiàn)象被科學(xué)家形象稱之為“氦閃”。那一刻，“氦閃”帶來的強大電磁輻射足以將地球表面融化，一切都會在彈指間灰飛煙滅。

走出電影，我們大可不必為太陽可能出現(xiàn)的將來擔憂。太陽誕生至今約經(jīng)歷了50億年，人家目前正處于發(fā)光發(fā)熱的青壯年時期，根據(jù)科學(xué)家預(yù)測，太陽走向衰竭至少還需要50億年。如果真要逃離太陽系，人類還有充足的準備時間。

發(fā)動機推動的，是人類不斷進步之心

針對電影《流浪地球》，很多質(zhì)疑集中在——地球真的能被發(fā)動機推起來么？

電影和小說中，都在地球上設(shè)定了一萬臺行星發(fā)動機去推動地球，每臺行星發(fā)動機產(chǎn)生150億噸的推力，將單位換作力學(xué)單位牛頓，大約是150億億牛頓。地球這個龐然大物，它的質(zhì)量重達59萬億億噸。根據(jù)牛頓第二運動定律F合=ma得知：a（加速度）= 150億億牛頓/59萬億億噸。也就是說，一臺行星發(fā)動機引起的地球加速度只有2.5×10-7m/s2，也許用0.00000025米∕秒2寫出來會更為直觀——用這樣的加速度推動地球可以說是非常困難了，但并非不可能——用一萬臺行星發(fā)動機去乘這樣的加速度，根據(jù)人類希望達到的0.5%光速的目標，飛到4.2光年外的比鄰星，大概需要1000年的時間，和影片中的計劃航行時間大致吻合。就科幻電影而言，這樣的設(shè)定已經(jīng)完成了推動地球前進的邏輯自洽。只是站在現(xiàn)實及科學(xué)層面，想要地球按照人類想要的軌道前進，并不是有了發(fā)動機就萬事大吉。

首先要考慮的就是，拿什么喂飽這些發(fā)動機，讓他們工作起來？影片中所暢想的答案就是“重元素聚變”，把石頭扔進發(fā)動機里就能變成能量，聽上去環(huán)保又方便。核聚變因其巨大的威力，被稱為人類的“終極能源”，簡而言之，就是兩個較輕的原子核合并為一個較重的原子核時釋放出巨大能量，這一過程即核聚變。而重元素聚變中的“重元素”，就是相對于“輕元素聚變”而言，氫以及氫的同位素之外的所有元素。在宇宙創(chuàng)生伊始只存在氫元素，宇宙大爆炸后比氫更重的元素如氦、鋰等逐漸被合成，再重的元素就無法合成了。剩下百余種元素的合成，就要依托恒星了。恒星中心燃燒氫生成氦，燃燒氦生成碳、氧，以此類推，至鐵元素終止。根據(jù)恒星演化理論，鐵原子的聚合反應(yīng)大概需要60億度以上的高溫，而只有幾億度的恒星內(nèi)部無法讓鐵原子發(fā)生聚合反應(yīng)。如果要在聚變中釋放能量，所用的元素質(zhì)量數(shù)應(yīng)該要低于鐵元素，也就是燒以硅、鈣等元素為主的石頭。依據(jù)宇宙中元素生成過程可以看出，硅、鈣這類較重的元素發(fā)生核反應(yīng)的條件非?？量?，需要極高的溫度和壓強，相對今天的科學(xué)水平，這項技術(shù)完全可以說是天馬行空。

另外，重元素在聚變過程中能量的轉(zhuǎn)換效率也是很低的。想要依靠這些發(fā)動機推動地球（不考慮引力彈弓的情況），有人計算過，至少要燒掉大概五千億億噸石頭，大約四分之三的地殼都要被挖去喂食發(fā)動機?？磥?，地球是要一邊流浪一邊減肥了。

除了“重元素”難關(guān)，這項技術(shù)另一個關(guān)鍵詞就是“可控”，例如，如果想把能量巨大的氫彈作為燃料，科學(xué)家需要控制聚變反應(yīng)的速率，才能將氫彈為己所用。而目前我們連輕元素聚變也無法隨心所欲實現(xiàn)“可控”，更不要提重元素聚變這項“不可能任務(wù)”了。如果有一天，人類真的掌握了這項技術(shù)，那《流浪地球》也許也不再是“科幻”。

地球生命的出現(xiàn)，是太多偶然的合集。地球本身或許是脆弱的，但地球上的生命又是堅不可摧的。宇宙的活力和生機，正是來自于生命的不懈與拼搏。

飛離太陽系，還需要木星這塊跳板

不同于小說，電影《流浪地球》的很大筆墨在于展示“流浪”途中，人類與木星之間的“地球爭奪戰(zhàn)”?！奥逑O限”這個詞，差點粉碎了地球。

洛希極限值最早由法國天文學(xué)家洛希計算出來。簡單來講，就是當兩個天體之間的距離小于洛希極限時，較小天體會被較大天體的引力所撕裂。影片中，地球因為距離木星太近，在靠近木星的一端和遠離木星的一端所感受到的木星引力是有差別的，這種差別我們稱之為潮汐力。想象一下，距離木星越近，這種潮汐力將越大，“近木端”和“遠木端”所感受到的巨大引力差像兩只手撕扯著地球，當?shù)厍蝰傊谅逑O限指出的臨界位置時，就只能乖乖等待被撕碎的命運。在影片中，人們嘗試了點燃木星上的氫來獲得氣體沖擊波推走地球，考慮到木星上的氫氣與地球上的氧氣混合比例和時間均不達標，這樣的點燃是不太可能發(fā)生的。

既然木星這么危險，為什么還要靠近它？因為，“越危險的地方越安全”，這里的“安全”，指的是幫助地球獲得更多“力氣”逃離太陽系。在太陽系所有行星中，木星一直坐在“老大哥”的位置，它的個頭和質(zhì)量最大，是其他行星質(zhì)量總和的2.5倍。根據(jù)萬有引力定律，引力與質(zhì)量和空間距離有關(guān)，當距離固定時，地球在木星這里可以獲得的引力最大，更利于運用“引力彈弓”進行加速。理解引力彈弓其實很簡單，將地球看成系著一根繩子正在飛行的小球，當它飛過木星時，因為木星本身也在圍繞太陽轉(zhuǎn)動，而木星對地球的引力恰如拉住了這跟繩子并帶著地球一起飛行，實際上相當于賦予了地球一部分速度。當?shù)厍驈哪拘翘与x出去時，就可以在本來速度基礎(chǔ)上獲得天體速度的疊加，“有如神助”獲得加速，恰如“彈弓”一般。在現(xiàn)實生活中，引力彈弓已經(jīng)被人類掌握并很好地應(yīng)用于行星際探測器上。 2017年9月結(jié)束了“生命”的卡西尼號，相信很多人都不會陌生，卡西尼號就曾經(jīng)利用金星、地球和木星的引力彈弓成功達到土星，并圍繞土星運轉(zhuǎn)達20年。

從木星成功獲得“引力彈弓”的地球，并不能松一口氣。因為從三維空間看，目的地比鄰星與木星并不處于一個平面上，它們之間存在一定夾角，在上?？萍拣^天文館指揮部專家施韡看來，地球在利用木星引力加速的同時，必須及時修正航向、調(diào)整自己的姿態(tài)，瞄準黃道平面下方約42.6°運行（未考慮比鄰星自行）。而這個角度并不小，地球的流浪之路，看來真是道阻且長啊。

比較有意思的是，按照計劃，“流浪地球”最終要到達的地方是半人馬座比鄰星。熟知劉慈欣另一部小說《三體》的書迷看到這里不會陌生——在《三體》中，因自身星球居住條件不好而想侵占地球的三體文明也恰好是在半人馬座，半人馬座的三顆恒星：比鄰星、南門二、南門二B，構(gòu)成了一個三體系統(tǒng)，正是小說中“三體文明”居住的地方。如果半人馬座比鄰星條件夠硬，三體文明也就不至于長途跋涉企圖移民到太陽系了。那為何在《流浪地球》中，會選中比鄰星呢？原因很簡單，在小說版本中也進行了解釋，那就是“這是距我們最近的恒星”，恰如它的名字“比鄰”一樣。那么在半人馬座中，是否真的有適宜人類的宜居之地呢？目前來看，答案是未知的。水、氧氣、溫度，一切都恰恰好，才孕育了地球上的無限生機。地球生命的出現(xiàn)，是太多偶然的合集。地球本身或許是脆弱的，但地球上的生命又是堅不可摧的。宇宙的活力和生機，正是來自于生命的不懈與拼搏。

雖然在現(xiàn)實中，帶上“小破球”逃離太陽系的想法怎么看都是不可能的，但這又如何，這件事情本身已經(jīng)足夠浪漫，它沖破了一遇到世界末日就坐上宇宙飛船逃亡的既定故事框架，當觀眾在銀幕中看到那一顆小小的星球在廣袤無垠的宇宙中努力向前沖時，就已經(jīng)足夠震撼。而這，大概也正是科幻電影的美妙之處。（感謝上?？萍拣^天文館指揮部施韡為本文提供科學(xué)指導(dǎo)。）