電影《流浪地球》中的10個(gè)科學(xué)問題

鄭永春

1.飛船派還是流浪派？

在《流浪地球》里面，由于飛船的容量非常有限，而且飛行旅途非常漫長，要在飛船上建設(shè)一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，規(guī)模很有限。所以，電影中認(rèn)為最好的辦法是帶著地球去流浪。然而，地球在流浪的過程中將逐漸遠(yuǎn)離太陽，地球表面的溫度將降至-200℃以下，生態(tài)系統(tǒng)遭到徹底破壞，絕大部分物種將遭遇大滅絕，基本上不可能恢復(fù)。所以即便帶著地球到了比鄰星，實(shí)際上也只是帶了一個(gè)石球而已，意義非常有限。

在太陽系中，火星的環(huán)境與地球最為相似。在火星上，利用本地資源建設(shè)一個(gè)密閉生態(tài)系統(tǒng)，相比推著地球去流浪，技術(shù)上要容易得多。人類已經(jīng)具備了火箭和飛船的重復(fù)利用技術(shù)，進(jìn)入太空的成本將大幅下降。如果先把人運(yùn)送到太空中的空間站，再從空間站大規(guī)模地運(yùn)送到火星上，建立地球到火星往返運(yùn)輸?shù)牧畠r(jià)航線，比起流浪地球更為可行。

2.為什么燒石頭可以產(chǎn)生能量？

電影中，行星發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料是石頭，燒石頭為什么會產(chǎn)生能量呢？實(shí)際上，這里說的是重核聚變反應(yīng)。地球巖石中的主要成分是硅酸鹽礦物，包括氧、硅、鋁、鎂、鐵等元素。這些元素的原子核已經(jīng)很大了，理論上雖然還能發(fā)生核聚變，但這種以重元素為原料的核聚變，目前還無法實(shí)現(xiàn)，而且反應(yīng)條件苛刻，產(chǎn)生的能量更小。

3.地球在流浪過程中將穿越哪里？

地球?qū)⑾鹊诌_(dá)火星軌道，然后穿越火星和木星之間的小行星帶，之后抵達(dá)木星進(jìn)行加速，再穿越土星軌道、天王星軌道、海王星軌道，抵達(dá)太陽系的新大陸柯伊伯帶時(shí)，地球會碰到冥王星，還會碰到很多柯伊伯帶的小天體。再接著，地球?qū)⒋┰介L周期彗星的發(fā)源地——奧爾特云，進(jìn)入廣袤的星際空間。

在此過程中，地球上能夠接收到的光照越來越少，抵達(dá)冥王星軌道時(shí)，光照強(qiáng)度不到現(xiàn)在地球上的千分之一，比黑夜還要黑得多，所有直接或間接依賴光合作用生存的生物都將消失。沒有生態(tài)系統(tǒng)其他成員的支持，人類基本不可能獨(dú)立生存下來。

4.太陽啥時(shí)候發(fā)生氦閃？

太陽主要的能量來源是氫原子在高溫高壓下發(fā)生核聚變。當(dāng)氫原子轉(zhuǎn)變成氦原子后，由于氦原子比氫原子更重，因此不斷聚集在太陽的內(nèi)核。氦被壓縮后，溫度就會升高，太陽會變得更亮。太陽現(xiàn)在的亮度比它剛形成時(shí)亮了30%左右。當(dāng)太陽中心累積的氦越來越多，產(chǎn)生的高溫將使太陽外部發(fā)生膨脹，形成紅巨星，一直膨脹到地球現(xiàn)在所在的軌道。

在紅巨星階段，太陽將經(jīng)歷非常短暫的失控?zé)岷司圩儯?個(gè)氦原子核聚變形成鈹原子核，鈹原子核極不穩(wěn)定，又可以進(jìn)一步聚變形成碳原子核。氦的核聚變過程，相比氫的核聚變過程要短暫得多，因此被稱為氦閃。氦閃一般發(fā)生在像太陽這樣的中等質(zhì)量恒星的核心或白矮星表面，堆積的氦突然開始核聚變，產(chǎn)生巨大的能量。

氫原子核的聚變過程十分緩慢，太陽形成至今已經(jīng)有50億年，還可以繼續(xù)“燃燒”近50億年，而人類誕生至今只有10萬年。

5.地球停止自轉(zhuǎn)會有什么后果？

在《流浪地球》中，為了將行星發(fā)動(dòng)機(jī)的能量全部轉(zhuǎn)化為推動(dòng)地球加速的推力，讓地球停止了自轉(zhuǎn)。那么，停止了自轉(zhuǎn)之后，地球上會發(fā)生什么呢？這個(gè)問題很難回答，只能作一些推測。

首先，月球引力對地球自轉(zhuǎn)有牽制作用，地球的自轉(zhuǎn)速度其實(shí)一直在減慢。研究表明，地球的自轉(zhuǎn)速度從40多億年前的每天6小時(shí)，延長到了如今的每天24小時(shí)，并且將繼續(xù)減慢。地球自轉(zhuǎn)這種天然減速是一個(gè)十分緩慢的過程，如果要在短時(shí)間內(nèi)讓地球停止自轉(zhuǎn)，將發(fā)生一系列難以預(yù)料的后果。

其次，地球上的建筑物在地球減速的過程中將承受巨大的力量，導(dǎo)致大量建筑物倒塌、損毀。地球停止自轉(zhuǎn)后，大氣層仍將以原來的速度自轉(zhuǎn)，每小時(shí)1 700多千米的強(qiáng)風(fēng)，幾乎可以將陸地上的所有東西都卷入空中，產(chǎn)生巨大的破壞性。

再次，地球是由板塊構(gòu)成的，這些板塊并不是鐵板一塊，而是存在著相互作用，板塊之間的擠壓、俯沖，形成了地球上的山脈、峽谷和豐富的地貌。地球停止自轉(zhuǎn)，將對板塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)，使很多地方地震火山頻發(fā)，引發(fā)大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)難。海洋上將發(fā)生大規(guī)模的海嘯，沿海地區(qū)將被海水淹沒。

特別嚴(yán)重的后果，是地球停止自轉(zhuǎn)將導(dǎo)致全球性磁場的消失。地球的內(nèi)核處于高溫的固體狀態(tài)，外核是熔融狀態(tài)，地球自轉(zhuǎn)才能形成一個(gè)近乎完美的全球性磁場。正是有了磁場的保護(hù)，地球上的生命才能免受宇宙射線的輻射，生命才得以繁衍、進(jìn)化。失去地球磁場的保護(hù)，生命也很難繼續(xù)生存。所以，躲入地下屏蔽太空輻射是一個(gè)無奈的選擇。

6.恒星周圍的宜居帶有多寬？

地球在太陽系的宜居帶中，與太陽的距離不遠(yuǎn)不近。如果太近的話，溫度太高，液態(tài)水就會蒸發(fā);如果離太陽太遠(yuǎn)，地球?qū)焖俳禍?，液態(tài)水就會冰凍。所以，只有在宜居帶中，地球上的水才能有固、液、氣3種狀態(tài)，物質(zhì)和能量才能傳輸和交換，才能孕育生命。

根據(jù)不同模型的估算，太陽系宜居帶的寬度，向內(nèi)側(cè)可以延伸到0.95個(gè)天文單位，向外延伸到1.01個(gè)天文單位。但是，由于太陽的亮度在過去的幾十億年里是不斷變亮的，所以，太陽系早期的宜居帶應(yīng)該更靠近內(nèi)側(cè)，而未來，太陽系的宜居帶會比現(xiàn)在更遠(yuǎn)離太陽。

7.地球飛出太陽系之后，會到哪里去呢？

離我們最近的恒星是半人馬座阿爾法星（中文名為南門二），這是一個(gè)三合星系統(tǒng)，由A、B、C這3顆恒星組成。其中以A星的體積最大，體積和亮度稍大于太陽，B星的體積和亮度稍稍遜于太陽，A星與B星一起組成了雙星系統(tǒng)。由于A星與B星相互之間的距離很近，肉眼無法分辨出這是2顆恒星，看起來就像1顆星，因此它們也是全天空第4亮的恒星。

C星是雙星系統(tǒng)以外的伴星，也是半人馬座阿爾法星中最小的恒星，即中國人所稱的比鄰星。比鄰星與A星和B星在宇宙中以相似的軌道運(yùn)行，由于運(yùn)行軌道的關(guān)系，幾百萬年后，比鄰星有可能離開這個(gè)雙星系統(tǒng)。

流浪地球飛出太陽系后，半人馬座阿爾法星就是首選目標(biāo)，因?yàn)槠渌暮阈且h(yuǎn)得多。其中的比鄰星是一顆紅矮星，體積和亮度比太陽更小，質(zhì)量只有太陽質(zhì)量的12.5%，距離地球4.23光年（約277600天文單位），是已知最接近太陽的一顆恒星。

8.流浪地球會遇到三體問題嗎？

科幻小說《三體》中，三體文明所在的行星周圍也有3顆恒星，這顆行星由于受到3顆恒星等效的引力作用，被它們甩來甩去，有時(shí)離某一顆恒星太近，有時(shí)候又太遠(yuǎn)，導(dǎo)致溫度極熱極冷快速變化，晝夜周期也極不規(guī)律。實(shí)際上，半人馬座阿爾法星的3顆恒星的運(yùn)行軌道非常規(guī)則，地球抵達(dá)之后，主要受比鄰星引力的影響，可以成為環(huán)繞比鄰星的行星，因此不會面臨三體文明那樣氣候混亂的情況。

9.地球到了比鄰星之后會怎么樣？

2016年，科學(xué)家在比鄰星的周圍發(fā)現(xiàn)了1顆行星，可能是有大氣層的巖石星球，地表溫度約為-40°C。地球抵達(dá)比鄰星后，會發(fā)現(xiàn)那里已經(jīng)有1顆行星伙伴。比鄰星的光芒比太陽更暗，地球要盡量靠近比鄰星，才能獲得足夠的光照。

由于離比鄰星太近，地球會遭受強(qiáng)烈的紫外線和高能射線的照射。為了阻擋這些宇宙輻射，地球必須自轉(zhuǎn)，使地球內(nèi)部的“發(fā)電機(jī)”繼續(xù)工作，確保地球磁場正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

10.人類能飛出太陽系嗎？

比鄰星與我們的距離約4光年。我們發(fā)射的飛船的速度只能達(dá)到每秒鐘十幾千米，要好幾萬年才可以到達(dá)比鄰星，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇航員的壽命。2016年，天體物理學(xué)家史蒂芬·霍金等宣布的“突破攝星”計(jì)劃的目的，是建造1000個(gè)左右由激光推進(jìn)的微型星際飛行器，實(shí)現(xiàn)飛出太陽系的目標(biāo)，目的地正是比鄰星所在的半人馬座阿爾法星。激光照射在邊長為4米的正方形光帆上，僅用100秒就可以使其加速到光速的20%，只需要20年就可以到比鄰星。為了能夠讓光帆迅速達(dá)到最大速度，它攜帶的微型飛船只有郵票大小。到了比鄰星附近時(shí)，飛船上的微型照相機(jī)可以進(jìn)行拍攝，獲得近距離的圖像，再用激光將圖像發(fā)回地球，科學(xué)家們就能分析那里是否有生命啦！