《流浪地球》里的趣味科學(xué)

茍利軍 黃月

春節(jié)伊始，電影《流浪地球》憑借宏大離奇的背景設(shè)定、精彩絕倫的視覺沖擊，“大張旗鼓”地俘獲了眾多觀眾的心，毫無懸念地成為春節(jié)檔票房冠軍。

改編自作家劉慈欣所著同名小說的電影《流浪地球》，講述了一件關(guān)系全人類命運(yùn)的大事：在不久的將來，科學(xué)家觀測到太陽急劇衰老，并將膨脹為一顆紅巨星，包括地球在內(nèi)的整個(gè)太陽系所有天體，都面臨著毀天滅地的危機(jī)。值此危急存亡之秋，聯(lián)合國決定在地球上修建上萬座可以調(diào)整方向的重核聚變行星發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，上百萬億噸推力，使地球化身為一座龐大的飛船，逃離太陽系，駛向距太陽系最近的另一個(gè)恒星系，尋找新的家園。而這將是一段長達(dá)2500年的星際旅行。

作為一部硬科幻電影，《流浪地球》涉及不少科學(xué)知識(shí)，其中有的比較引人注目，接下來我們就來聊聊電影中那幾個(gè)有趣的科學(xué)故事吧！

太陽什么時(shí)候會(huì)滅亡？

占有太陽系總體質(zhì)量99.86%的太陽，誕生于大約45億年前的一次星云坍縮。太陽是一顆黃矮星，它釋放的能量來源于其中心氫氣的聚核反應(yīng)，如同大量氫彈在內(nèi)部不斷爆炸。黃矮星的這種聚核反，應(yīng)大約能持續(xù)約100億年，由此推測，太陽大約還能再燃燒55億年左右。

而在《流浪地球》中，科學(xué)家觀測到太陽即將進(jìn)入紅巨星膨脹階段，紅巨星階段的太陽極不穩(wěn)定，會(huì)淹沒太陽系里的所有行星。不過據(jù)科學(xué)家研究推測，紅巨星是太陽燃燒到后期才會(huì)經(jīng)歷的發(fā)展過程，離我們還很遙遠(yuǎn)。

不過，據(jù)人類學(xué)家估算，由于地球自身的環(huán)境也在發(fā)生各種變化，因而人類在地球上還可以存在大約200萬年;物理學(xué)家霍金則認(rèn)為由于人類濫用地球資源，所以可能幾百年后，地球就不再適宜居住了。

比鄰星是可能的歸宿嗎？

在《流浪地球》電影里，人類計(jì)劃將地球駛離太陽系，目的地則是距太陽系4.2光年的半人馬星座恒星——比鄰星。假如我們真的到達(dá)比鄰星附近，那里的環(huán)境適合人類生存嗎？

通過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡等強(qiáng)大設(shè)備的全方位觀測，科學(xué)家了解到不少關(guān)于比鄰星的信息。他們發(fā)現(xiàn)，位于半人馬座的比鄰星，質(zhì)量只有太陽的七分之一，是一顆紅矮星，亮度比太陽低。

在《流浪地球》作者劉慈欣撰寫此文的1999年，人類還不知道半人馬座比鄰星周圍是否有行星存在。而2016年底，歐洲南方天文臺(tái)有了驚人的發(fā)現(xiàn)，該天文臺(tái)研究人員在比鄰星周圍發(fā)現(xiàn)了一個(gè)和地球非常相似的行星，其質(zhì)量大約是地球的1.3倍，公轉(zhuǎn)周期為11.2天，且正好位于比鄰星的宜居區(qū)中，研究人員將這顆行星命名為“黯淡紅點(diǎn)”。

為了進(jìn)一步找到“黯淡紅點(diǎn)”和地球的共同點(diǎn)，天文學(xué)家使用了一個(gè)名為“地球相似指數(shù)”的參數(shù)，來衡量這顆行星和地球的相似度，最終發(fā)現(xiàn)，“黯淡紅點(diǎn)”和地球的相似指數(shù)竟達(dá)到了86%！

是不是覺得這個(gè)新世界很吸引人呢？不過先別高興得太早，因?yàn)橄嗨浦笖?shù)僅僅用于描述其本身。由于“黯淡紅點(diǎn)”所圍繞公轉(zhuǎn)的恒星比鄰星，質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于太陽，且身為紅矮星的它亮度也比黃矮星太陽低，所以圍繞比鄰星的宜居區(qū)也更加靠近中心恒星;又由于“黯淡紅點(diǎn)”和比鄰星離得很近，這就會(huì)導(dǎo)致著名的天文學(xué)現(xiàn)象——潮汐鎖定，使得“黯淡紅點(diǎn)”行星始終只有一面朝向比鄰星。潮汐鎖定導(dǎo)致的另一例廣為人知的天文現(xiàn)象，就是月球始終只有一面面向地球。

由于“黯淡紅點(diǎn)”等靠近比鄰星的行星，永遠(yuǎn)只有一面朝向比鄰星這顆中心恒星，所以行星上這一面溫度將會(huì)很高，而背對(duì)恒星的那一面溫度將會(huì)很低。

除了潮汐鎖定，比鄰星的宜居區(qū)行星還會(huì)面臨另一個(gè)麻煩，那就是中心恒星頻繁的爆發(fā)。

據(jù)天文學(xué)家進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，雖然比鄰星的質(zhì)量比太陽小，但其爆發(fā)頻率和爆發(fā)時(shí)所釋放出來的能量，卻比太陽大得多，這就導(dǎo)致其周邊行星所接收到的紫外輻射，比地球上用于殺死病菌的紫外線強(qiáng)度還要高100多倍，假如這些行星上有生命，它們無疑將遭受滅頂之災(zāi)。此外，由于潮汐鎖定，根據(jù)現(xiàn)有理論推測，比鄰星周圍的行星很可能不具備磁場，假如劇烈的恒星風(fēng)持續(xù)吹向行星，即使行星本身有大氣，也會(huì)消失逃逸得無影無蹤。

由此可見，半人馬座比鄰星很可能并不是地球流浪的最佳目的地。相信隨著科技的高速發(fā)展，人類還能找到除太陽系外更適合移居的星系。

人類是否能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)？

電影里提及，由于人類要讓地球始終朝某個(gè)方向持續(xù)飛行，所以“流浪地球”計(jì)劃的第一步是先讓地球停止自轉(zhuǎn)?，F(xiàn)實(shí)中，我們真的能讓地球不再轉(zhuǎn)動(dòng)嗎？

首先我們要知道地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能量，為2.24×1029焦耳，這個(gè)能量是很驚人的。我們來對(duì)比一下，歷史，上試驗(yàn)過的氫彈中，釋放能量最強(qiáng)大的當(dāng)屬大伊萬氫彈，其爆炸時(shí)釋放了5000萬TNT當(dāng)量，也就是2.1×1017焦耳。而地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能量就相當(dāng)于約1萬億個(gè)大伊萬氫彈同時(shí)爆炸。

顯然，要產(chǎn)生比地球自轉(zhuǎn)能量更大的力，讓地球停止自轉(zhuǎn)，顯然不是一件容易的事，至少以目前人類的技術(shù)水平是不可能實(shí)現(xiàn)的。但在不遠(yuǎn)的未來，或許一切皆有可能，屆時(shí)若人類能夠熟練掌握重核聚變技術(shù)，產(chǎn)生的能量將大大提高。

在《流浪地球》電影里，每個(gè)行星發(fā)動(dòng)機(jī)通過重核聚變產(chǎn)生的推力為150萬億噸，這樣一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在赤道上持續(xù)產(chǎn)生反推力，需要21857天，也就是60年左右，才能讓地球停止自轉(zhuǎn)。不過影片中，聯(lián)合政府可不止安裝了一臺(tái)這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)在赤道，一萬多個(gè)行星發(fā)動(dòng)機(jī)中，就有不少赤道發(fā)動(dòng)機(jī)，比如主角一行前去維修的印度尼西亞蘇拉威西發(fā)動(dòng)機(jī)。若是赤道上共計(jì)有100個(gè)以上這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)，理論上就可以在較短的時(shí)間內(nèi)讓地球停止自轉(zhuǎn)。

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

影片中提到，地球?qū)崿F(xiàn)停止自轉(zhuǎn)后，不可避免地發(fā)生了全球性的巨大災(zāi)難，導(dǎo)致人類數(shù)量大幅度削減，這是很真實(shí)的科幻預(yù)測。地球自轉(zhuǎn)最直接的后果，就是陸地的大量消失。

地球在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于離心力作用，液態(tài)的海水會(huì)向赤道附近聚集，使得赤道附近儲(chǔ)備了大量的海水。假如地球真的停止自轉(zhuǎn)，離心力消失，赤道附近的海水將向地球的兩極流動(dòng)，屆時(shí)大陸將被淹沒，地球?qū)⒊蔀橐活w藍(lán)色的大水球，只剩赤道附近的一圈超級(jí)大陸尚且凸顯在地表。

就算這塊位于赤道上的唯一大陸，也不是絕對(duì)安全的。因?yàn)樵诘厍蜃赞D(zhuǎn)時(shí)，同樣由于離心力作用，地球的赤道地殼相較其他區(qū)域也會(huì)更突出一些;假如停止自轉(zhuǎn)，赤道附近失去了離心力，這塊僅存大陸的版塊也將坍縮，引發(fā)一系列的全球性海嘯和地震。

由此可見，當(dāng)?shù)厍蛲Ｖ棺赞D(zhuǎn)，地表也就不適合人類生存了，所以在電影里，人類大都移居到地下生活。

為什么流浪地球要駛?cè)肽拘侵車?/p>

整部電影講述了人類在完成地球停轉(zhuǎn)初級(jí)階段后，進(jìn)入旅行階段初期發(fā)生的一次危機(jī)，這次危機(jī)源于地球不小心突破了木星的“剛體洛希極限”，差點(diǎn)和木星發(fā)生了撞擊。

有的朋友可能覺得奇怪，既然科學(xué)家已經(jīng)設(shè)定好了地球的推進(jìn)路線，為什么不能避開木星，卻非要飛得離它很近，導(dǎo)致差點(diǎn)撞上去呢？其實(shí)，聯(lián)合政府的科學(xué)家是故意讓地球飛向木星，因?yàn)樵蹅円谀拘堑膸椭虏拍茼樌疤优堋保?/p>

現(xiàn)實(shí)中，美國宇航局研制的無人探測器“旅行者一號(hào)”，在飛離太陽系前往深空探險(xiǎn)的時(shí)候，為了節(jié)省能源，借助了一種叫做“引力彈弓”的效應(yīng)，利用木星和土星的兩次引力加速，逃離了太陽系。

“引力彈弓”的原理其實(shí)很簡單，由于木星或土星等行星本身也在圍繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，所以當(dāng)它們吸引探測器或其他天體的同時(shí)，也賦予了這些探測器或天體一部分速度，當(dāng)探測器或者其它天體逃離出去的時(shí)候，就相當(dāng)于被加速了。這就好比我們站在靜止的地面上，往行駛中的火車車廂扔一個(gè)網(wǎng)球，在網(wǎng)球被彈飛的瞬間，靜止不動(dòng)的我們看到的網(wǎng)球飛行速度，其實(shí)是火車速度和網(wǎng)球原先速度的疊加。所以當(dāng)?shù)厍蜃鳛橐粋€(gè)天體，飛向木星并從木星周圍逃離的時(shí)候，其逃離速度就是原先飛向木星的速度和木星圍繞太陽公轉(zhuǎn)速度的疊加！

據(jù)聯(lián)合政府科學(xué)家計(jì)算得出，地球正是需要這樣的疊加速度，才能達(dá)到駛，離太陽系所需的逃逸速度。可見，讓地球飛向木星借力是何等明智的壯舉，能為全人類節(jié)省無比龐大可觀的資源，只不過地球上的行星發(fā)動(dòng)機(jī)臨時(shí)發(fā)生了故障，才導(dǎo)致“突破洛希極限”這一意外的發(fā)生。

《流浪地球》是中國第一部硬科幻大片，它帶給了我們空前的視覺體驗(yàn)，也讓無數(shù)深愛科幻的朋友們欣喜不已。它的成功，也將鼓舞每一個(gè)認(rèn)真的電影人，去制作出更多精品。