流浪地球，有更好的方式(上)

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(xué)家們發(fā)現(xiàn)太陽急速衰老膨脹，演化成為紅巨星，并將導(dǎo)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(dǎo)致地球面臨墜入木星的風(fēng)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(shè)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(dān)當(dāng)?shù)拿褡遄院栏小?/p>

然而遺憾的是，那些重要的科幻設(shè)定卻沒什么科學(xué)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(xué)，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(yīng)對這次巨大的太陽系災(zāi)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(zhǔn)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(yīng)，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(dāng)燃料，石頭的主要成分是硅，在非常苛刻的條件下可以發(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(xué)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)的90億倍、氫核聚變反應(yīng)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?dāng)?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(yīng)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(xué)合理性。迄今為止，多國物理學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(yù)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(fù)循環(huán)利用是個問題。除此之外，地下環(huán)境怎么去適應(yīng)，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(dāng)?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(dāng)于1000個標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(yīng)用，一些科學(xué)家已經(jīng)開始認(rèn)真考慮這種可能性。 （未完待續(xù)）