流浪地球，有更好的方式

林道之 石無魚

2019年的這個春節(jié)和情人節(jié)，中國人能想到的最浪漫的事，就是帶上地球去流浪。一部名為《流浪地球》的電影，引燃了中國人久違的科幻熱情，人們紛紛涌向電影院，觀看這部中國人自己拍攝的科幻大片。

《流浪地球》的故事梗概是：不久的將來，科學家們發(fā)現(xiàn)太陽急速衰老膨脹，演化成為紅巨星，并將導致地球毀滅。為了自救，人類啟動一個名為“流浪地球”的大膽計劃，即傾全球之力在地球一側(cè)建造上萬座發(fā)動機和轉(zhuǎn)向發(fā)動機，將地球變成一個巨大的宇宙飛船，載著人類文明開始一個長達2500年的太空流浪之旅，奔往離太陽系最近的另一顆恒星——半人馬座的比鄰星。

按照計劃，人類試圖利用木星實現(xiàn)“引力彈弓”加速，卻因木星的潮汐力突增，導致地球面臨墜入木星的風險。在生死存亡的時刻，位于地球和空間站上的人類聯(lián)手展開自救，并成功引燃木星大紅斑中的氫，將地球推離木星，成功脫離險境。

影片中，太陽的衰老和膨脹、萬座高聳入云的發(fā)動機、點燃木星等等科幻設定，真正讓人感到蕩氣回腸、回味無窮。特別是在地球危難之際，是我們中國人挺身而出，克服種種艱難險阻拯救地球的壯舉，更是讓我們產(chǎn)生一種勇于擔當?shù)拿褡遄院栏小?/p>

然而遺憾的是，那些重要的科幻設定卻沒什么科學合理性，如果有一天我們真的要帶上地球去流浪，我們還是要利用真正的科學，而不是僅止于浪漫而不切實際的幻想。

燒石頭不行，燒水試試

影片中，為了應對這次巨大的太陽系災難，人類在地球的北半球建造了一萬座重核聚變發(fā)動機和轉(zhuǎn)向發(fā)動機，準備將地球推離自己的軌道。電影中最惹人注目的，就是這些重核聚變發(fā)動機：它們高達11千米，比珠峰朗瑪峰還高2.2千米。每座發(fā)動機能提供150億噸的推力，全球一萬座發(fā)動機能提供150萬億噸的推力。

重核聚變發(fā)動機是什么？它們產(chǎn)生的動能能將地球推離自己的軌道嗎？

這種威力巨大的發(fā)動機，就是利用巖石中的硅元素進行核聚變反應，獲得高能高壓的等離子流。說白了，發(fā)動機的燃料就是石頭。理論上來說，石頭確實可以當燃料，石頭的主要成分是硅，在非?？量痰臈l件下可以發(fā)生核聚變。

但越重的原子核，進行聚變所需要的能量越大，聚變所產(chǎn)生的能量越小，例如，氫聚變所產(chǎn)生的能量是同樣質(zhì)量硅聚變所產(chǎn)生能量的30倍。而且重于碳的核聚變已經(jīng)非常困難，只有大質(zhì)量恒星演化晚期才能發(fā)生，而硅雖然理論上可以產(chǎn)生聚變，但所需要的溫度是30億度！地球無法產(chǎn)生那樣高的溫度，況且其性價比太低，恐怕把地殼的硅全都用完了，也未必能到達目的地。所以電影中的“重核聚變發(fā)動機”除了聽起來很高大上、很嚇人外，在科學上并沒有什么合理性。

其實，燒石頭不行，燒水可以。海水中富含氘與氚，這才是核聚變的最佳燃料。它們都是氫原子核的重同位素。氘在海水中儲量巨大，據(jù)計算，海水中氘的總儲量竟達幾百億噸，數(shù)量之大，可為人類提供上億年的能源消費。而且，氘的提取方法簡便，成本也較低，核聚變堆的運行也十分安全。有如此優(yōu)質(zhì)高效的核聚變材料，我們何必舍易取難，要開發(fā)得不償失的以硅為原料的重核聚變呢？

當然，無論燒石頭還是燒水，都不可能在短時間內(nèi)將地球推開。根據(jù)計算，電影中1萬座發(fā)動機要持續(xù)不斷地工作1500多年，才能將地球加速到逃離太陽軌道的速度，這把原計劃的一大半時間用掉了，那時候地球早就被太陽給毀滅了。

需另辟蹊徑

那么，究竟還有沒有辦法推動地球變軌，帶上地球去流浪呢？其實，還有比核聚變更先進的方式：反物質(zhì)發(fā)動機。

反粒子跟通常所說的電子、質(zhì)子相比較，電量相等但電性相反;反物質(zhì)是由反粒子構(gòu)成的，如同普通物質(zhì)是由普通粒子所構(gòu)成的。例如一顆反質(zhì)子和一顆反電子（正電子）能形成一個反氫原子，如同電子和質(zhì)子形成一般物質(zhì)的氫原子。

當正反物質(zhì)相遇時，雙方就會相互湮滅抵消，兩個粒子的質(zhì)量幾乎完全轉(zhuǎn)化成能量，效率大大高于核裂變和核聚變。就所有物理反應而言，這是效率最高的燃料。我們可以比較一下每千克發(fā)動機燃料的效果，很理想的化學反應可以產(chǎn)生1×107焦耳的能量，核裂變產(chǎn)生8×1013焦耳的能量，核聚變產(chǎn)生3×1014焦耳的能量，而反物質(zhì)的湮滅能產(chǎn)生9×1016焦耳的能量，是氫氧化學反應的90億倍、氫核聚變反應的300倍。一片阿司匹林那么大的反物質(zhì)同物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的能量足以讓一艘飛船巡弋數(shù)百光年，而航天飛機那么巨大的燃料箱和推進器中的燃料完全可以用100毫克的反物質(zhì)代替。而且“湮滅”效應是自然發(fā)生的，并不需要像核聚變那樣用難以想像的高溫高壓來“點火”。

在著名的《星際迷航》系列電影中，“企業(yè)”號宇宙飛船可實現(xiàn)曲速飛行、超光速抵達宇宙中任何一個地方，都仰仗于它的反物質(zhì)動力系統(tǒng)。

利用反物質(zhì)發(fā)動機啟動地球更具科學合理性。迄今為止，多國物理學家已在實驗室中制造出了正電子、反質(zhì)子和反中子，乃至反氫原子。但反物質(zhì)現(xiàn)在只能在實驗室中制造，且所需能量更多，因此只能在太空中尋找。2006年發(fā)射升空的“反物質(zhì)-物質(zhì)與輕核天體物理學探測器”，在地球上空的在范艾倫輻射帶（這是地球上空的一條高能輻射帶，分內(nèi)外兩層，以美國物理學家詹姆斯·范艾倫命名）中發(fā)現(xiàn)了一個反質(zhì)子帶。2009年科學家又發(fā)現(xiàn)了一個驚人的現(xiàn)象：宇宙射線中反物質(zhì)粒子數(shù)量過剩，這說明我們宇宙中存在著反物質(zhì)?？梢韵胂?，隨著人類科技的發(fā)展，利用宇宙中的反物質(zhì)來制造反物質(zhì)發(fā)動機并不是什么難事。

水下城比地下城更具可行性

在地球轉(zhuǎn)向并遠離太陽的過程中，地表溫度急劇降低，冰封千里。人類為了避難，在地表5000米以下處建立了上萬個地下城市，在此后到達新恒星的2500年間，人類就一直要在地下城生存、繁衍、延續(xù)希望了。那么，這么一座深達5000米的地下城市能夠保障人類2500年的生存繁衍嗎？

資源循環(huán)也是大問題。沒有人能預測人類需要在地下生活多久，因此地下城市必須是一個可持續(xù)的棲息地。這意味著，每個地下城市都需要成為一個獨立的生態(tài)系統(tǒng)，資源到底如何重復循環(huán)利用是個問題。除此之外，地下環(huán)境怎么去適應，怎么解決空氣流通，怎么防止出現(xiàn)心理疾病，等等，都具有很大的挑戰(zhàn)性，需要人類群策群力去解決。

而且，在5000米那么深的地底下，高溫高壓問題也是難以解決的。地下5000米處溫度高達150℃以上，不過，根據(jù)計算，當?shù)厍虮砻娼档?80℃的寒冷時，地底溫度也會隨之降低，如果再與地面的寒冷空氣產(chǎn)生一些對流，地下城保持適宜的溫度還是有可能做到的;但高壓問題卻無解，5000米深處的壓強相當于1000個標準大氣壓，在這么深的地底，如何進行大規(guī)模的施工就是一個問題，更不要說幾乎沒有材料能頂?shù)米∵@樣巨大的壓強而支撐起一個巨大的地下城。

其實，海洋底下的水下城市比5000米深的地下城市更具可行性。在兩個月內(nèi)，海洋表面會凍結(jié)，但我們的海域需要再過1000年才能凍結(jié)。所以，住在水下更好，水的比熱容很大，吸熱或散熱能力都很強，能保持溫度的平衡。當然，1000年之后，人類如何防止海洋完全凍結(jié)，或者如何建造新的生活居住區(qū)，那又要考研人類智慧了。

而且，建造一個水下城市也比建造一個地下城市容易很多，海洋有很豐富的資源供我們就地取用，比如最重要的水資源（那時海水淡化技術(shù)早已不在話下）、核能資源（海水中的氘是最佳的核聚變?nèi)剂现唬┑鹊?。事實上，水下城市已?jīng)不僅僅是我們天馬行空的想法，隨著3D打印技術(shù)、碳納米管和納米金剛石技術(shù)的不斷發(fā)展和應用，一些科學家已經(jīng)開始認真考慮這種可能性。

木星靠不住

在電影中，為了節(jié)省燃料，人類準備讓地球向木星借力。地球如何向木星借力？這就涉及到天文學上的引力彈弓效應，這種效應基于動量守恒。當一艘宇宙飛船經(jīng)過一顆行星時，借用行星的公轉(zhuǎn)速度，給飛船加速。如1997年10月發(fā)射的土星探測器“卡西尼號”，離開地球后先向太陽方向飛去，首先飛掠金星，利用金星引力獲得加速。之后，它繞太陽一圈，后再次飛掠金星，獲得金星引力的第二次加速。接著又飛掠地球附近，被地球引力再次加速。在“卡西尼號”第二次離開地球后，又飛掠木星處，獲得了木星引力的加速。這時，它的速度超過了每30千米/秒。然后，它才向目的地土星飛去。（詳情見《大科技》2004年第12期《怪異行程》一文）這很像是在飛快轉(zhuǎn)動的圓盤上滴上一滴水，水就會濺飛一樣。

在《流浪地球》中，地球也是借力木星。不過，根據(jù)計算，地球只能獲得木星引力10千米/秒左右的加速，這相比于地球設定的最終1500千米/秒的航速微不足道，不值得人類冒這么大風險。別的不說，木星有79顆衛(wèi)星。同在黃道平面的地球想接近木星？繞開79個木星小弟就是個技術(shù)活。

在影片的高潮階段，在地球靠近木星的過程中，木星突然出現(xiàn)了“潮汐力增加”現(xiàn)象，眼看就要拉著地球落向木星。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。

這一段是完全不靠譜的，因為木星吸收了地球上的氧氣又不至于把地球吸走，實在是太難了。就算地球有部分氧氣被木星掠走并在其局部形成了一個氫氣和氧氣的混合氣體，在合適的地方，混合氣體引發(fā)了爆炸，還是不行。因為這樣的爆炸沖擊波永遠也不會到達地球。爆炸只所以會產(chǎn)生沖擊波，那是因為有大氣的緣故。如果木星發(fā)生了氫氧燃燒和爆炸，沖擊波也永遠只會留在木星大氣層里。2009年木星曾經(jīng)遭受過彗星撞擊事件，撞擊之猛烈，能量之大，留下的疤痕和木星的大紅斑一樣大，和地球的直徑差不多。即使這樣，進行全程監(jiān)測的哈勃望遠鏡也沒有看到任何沖擊波能夠逃逸木星，傳播到宇宙空間。

而且，如果太空真的有空氣，有沖擊波，恐怕地球不是被推離木星，而是粉身碎骨了。因為地球不是實心的一塊石頭，更形象的比喻是個雞蛋。地球最表面是地殼，這些是由輕薄的巖石構(gòu)成。內(nèi)部大部分空間是液態(tài)物質(zhì)，最中心是鐵與鎳的固體硬核。地殼非常的薄弱。你在雞蛋邊上發(fā)了一個炸彈，試圖用沖擊波把雞蛋炸得遠遠的，結(jié)果可能不是雞蛋被炸遠了，而是把雞蛋當場炸得粉碎。

還有新的思路

這么說來，電影中最精彩的高潮部分——借力木星、點燃木星，在科學上是行不通的。那怎樣才能使地球在太空中流浪呢？有一個更大膽的辦法——制造微型黑洞！我們都知道，黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡后，發(fā)生引力坍縮而形成。研究認為，不單單是大質(zhì)量恒星，任何物質(zhì)被壓縮到極高密度的話，都會形成黑洞。例如，地球的半徑大約為6378千米，如果把地球壓縮為半徑1厘米左右的話，就會形成黑洞。最小的黑洞甚至可以小到量子尺度大小，在宇宙早期的高密度環(huán)境里，到處都充斥著這種量子尺度的原初黑洞，被稱為微型黑洞或量子黑洞。

目前，為了能在高能質(zhì)子撞擊中模擬宇宙大爆炸后萬億分之一秒內(nèi)的能量和條件，歐洲核子研究中心歷時14年，斥資80億美元，在瑞士建成了世界上最大的強子對撞機。它設計的用于轟擊質(zhì)子使其在發(fā)生撞擊之前加速到7萬億電伏的能量，為人造微型黑洞的誕生創(chuàng)造了條件。

在遙遠的未來，人類如果真想帶上地球去流浪，可以在地球之外適當?shù)牡胤街圃煲粋€或幾個微型黑洞，靠微型黑洞的引力帶著地球去流浪。

首先，在距離地球一個安全的地方，制造一個微型黑洞;然后，讓它在太空中通過吞噬小天體慢慢長大，然后把它也變成一個質(zhì)量合適的流浪黑洞，拉拽著地球向前方進發(fā)。特別是在進入充滿彗星的太陽系邊緣的柯伊伯帶和奧爾特云時，流浪黑洞還可以在前面吞噬沿途的小天體，為地球掃清一條障礙。

制造一個安全的小型黑洞，還有一個很大的好處，就是利用黑洞為地球提供源源不斷的能源。已故的著名物理學家霍金曾表示：“一個質(zhì)量與一座山相當?shù)暮诙矗溽尫臱射線和γ射線的功率可以超過1000萬兆瓦，足以供應全球的電力所需。”

當然這樣做也充滿了風險和挑戰(zhàn)，黑洞在行進過程中不斷吸食周邊的物質(zhì)，使自己越來越大，很快就會威脅到地球的安全，這時，人類要提前做好準備，拉遠與黑洞的距離，否則便會被黑洞吞噬。

地球流浪，危險重重

星際旅行是科幻小說長盛不衰的題材，但常見的科幻設定基本都可以分為兩類：一是通過近光速飛船來完成恒星間的遷徙;二是利用“蟲洞”或者“空間折疊”來打破愛因斯坦的相對論限制，實現(xiàn)超越光速旅行?！读骼说厍颉穭t獨辟蹊徑，將地球整體作為飛船，但遺憾的是，不管我們?nèi)绾卧O定或幻想，移動地球都不具科學合理性。

比起宇宙飛船來，移動地球在技術(shù)上是件非常困難的事。即便技術(shù)上可行，顯著改變地球軌道有太多風險：自然生態(tài)徹底消失，發(fā)動機帶來的地殼不穩(wěn)定產(chǎn)生大量超大規(guī)模的地震、超級火山爆發(fā)、海嘯等劇烈的自然災害，地球大氣層和磁場遭到破壞;而在整個太陽系中，一顆行星軌道的改變，將完全打亂幾十億年形成的大致穩(wěn)定動力學系統(tǒng)，小行星群軌道紊亂，地球遭遇形成早期那種混亂。

并且當?shù)厍蝻w出日球?qū)又?，宇宙射線便能直接轟擊地球，整個地表將會遍布致命的高能輻射。地球的長期流浪必然導致整個生態(tài)環(huán)境走向徹底毀滅，恐怕還沒等到地球進入新的恒星系統(tǒng)，中途就可能遭遇毀滅。

另外，整個地球的生態(tài)系統(tǒng)幾乎都以太陽光作為最基本的驅(qū)動源，一旦地球開始遠離太陽，這個系統(tǒng)必然會急劇崩潰，更別說長達2000年的“流浪時代”了。

看來帶著地球去流浪不可行，只有另想辦法。2016年，歐洲南方天文臺發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞比鄰星公轉(zhuǎn)的行星，并且該行星還位于比鄰星的宜居帶上。在宜居帶，行星與恒星保持著最合適的距離，為生命的存在提供了相對適宜的條件。2018年，天文學家還在距離地球16光年之處找到一顆被命名為“瓦肯”的行星。

事實上，最近幾年，隨著高度精密的天文望遠鏡不斷掃描宇宙，100光年之內(nèi)的行星越來越多地被發(fā)現(xiàn)了。如果未來真有太陽系災難，就像我們的人類祖先用小船在廣闊的太平洋逐島躍遷、用幾萬年時間占領(lǐng)了太平洋群島一樣，未來我們的后代也可以組織大量生態(tài)船組成的龐大艦隊，從一顆行星遷移到另一顆行星——改造，扎根;再改造，再扎根……用幾百萬年甚或幾千萬年的時間，人類終將占領(lǐng)銀河系，整個銀河系終將涌現(xiàn)無數(shù)經(jīng)過人類改造的新家園。

屆時我們利用反物質(zhì)為燃料的火箭，能夠在宇宙中以光速的70%左右飛行。這意味著，借助這種新型物質(zhì)發(fā)射火箭，人類前往離地球最近的4.3光年之外的半人馬座約只需要6年時間，到16光年之外的瓦肯星也只要23年，即使航行到1000光年之外的行星上，也只需1400多年。有了如此先進的反物質(zhì)技術(shù)，我們當然不需要低效的重核聚變了。

當然，科幻片不符合科學是再正常不過的事情，人家本來就是科幻電影，不是科學。