我們能用巨型推進(jìn)器改變地球軌道嗎？

任天

影片《流浪地球》講述了在21世紀(jì)初，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)太陽急速衰老膨脹，短時間內(nèi)包括地球在內(nèi)的整個太陽系都將被太陽所吞沒。為了自救，人類提出一個名為“流浪地球”的大膽計劃。該計劃具體是這樣實施的：全世界所有國家合力在地球表面建造了上萬座發(fā)動機(jī)和轉(zhuǎn)向發(fā)動機(jī)，推動地球離開太陽系，用2500年的時間奔往另外一個棲息之地。

回歸到現(xiàn)實，雖然沒有證據(jù)表明太陽會在短期內(nèi)快速衰老膨脹，以至于我們不得不馬上遠(yuǎn)離它，但全世界生物依舊面臨太陽所帶來的長遠(yuǎn)巨大風(fēng)險。

在過去的45億年，即使發(fā)生了一系列奇妙的意外——大規(guī)模撞擊、月球形成、地球自轉(zhuǎn)持續(xù)放緩以及生命的出現(xiàn)等——地球圍繞太陽的軌道也幾乎沒有變化。就算受到太陽系和銀河系中所有其他物體的引力影響，地球也仍有超過99%的可能性繼續(xù)保持原有軌道，不會發(fā)生任何可察覺的變化。

從長遠(yuǎn)來看，這將給整個地球帶來無法避免的災(zāi)難，那就是太陽輻射。

即使目前全球變暖所造成的最壞情況，包括溫室氣體濃度不受控制地上升，導(dǎo)致嚴(yán)重的氣溫上升和地球上所有極地冰川的融化等，與太陽輻射最終造成的后果相比，那就是小巫見大巫了——如果地球軌道沒有顯著的變化，不斷增加的太陽能量輸出將在未來10到20億年內(nèi)蒸發(fā)掉地球上所有的海洋，可能會殺死地球上所有的生命。

太陽所散發(fā)的光和熱由核聚變產(chǎn)生，而核聚變只發(fā)生在太陽的核心，那里的溫度超過400萬K；在核的最中心，溫度可高達(dá)1500萬K（相比之下，太陽表面的溫度約為5800K），那里的核聚變反應(yīng)速率會隨溫度升高而迅速增大。但隨著時間的推移，將出現(xiàn)以下問題：太陽核心將相當(dāng)數(shù)量的氫轉(zhuǎn)化為氦；氦在內(nèi)核中聚集，但此時還不能進(jìn)一步聚變；濃縮的氦導(dǎo)致引力收縮，進(jìn)而導(dǎo)致太陽內(nèi)部升溫；內(nèi)核的溫度升高，導(dǎo)致“400萬K及以上”區(qū)域擴(kuò)大，占據(jù)更大的內(nèi)部空間；這導(dǎo)致太陽的核聚變速率逐漸增大，從而增加太陽的總能量輸出。

隨著越來越多的太陽能量到達(dá)地球，地球上的防御和反饋機(jī)制便會逐漸“力不從心”。一旦全球平均氣溫上升到100攝氏度以上，所有海洋都將會蒸發(fā)。這一情景可能發(fā)生在10到20億年后，屆時，地球上所有生命將不可避免地終結(jié)。

有沒有辦法讓地球擺脫這種命運？答案是肯定的，那就是改變地球的軌道，將我們的星球家園遷移到太陽系的另一個位置。為了達(dá)成這一目標(biāo)，我們需要在南極建造一臺巨大的推進(jìn)器，才能最終拯救整個地球。

如果不能阻止太陽升溫，那么讓地球遠(yuǎn)離太陽也許是唯一可行的辦法。亮度和距離之間有一個簡單而直接的關(guān)系：每當(dāng)你與光源的距離增加一倍，你感受到的亮度就減少到四分之一。以此推算，如果太陽的能量輸出增加10%，我們只需要將地球與太陽的距離增加4.9%，就能保持接收到的能量不變。

目前太陽的能量輸出每過10億年就會增加10%。乍看之下，使地球軌道改變幾個百分點似乎并不是一個特別艱難的任務(wù)。畢竟，地球繞太陽運行的軌道是橢圓的，離太陽最近的距離為1.471億公里，最遠(yuǎn)的距離為1.521億公里。這兩個點接收到的輻射差約為6.5%，意味著如果我們能夠?qū)⒌厍虍?dāng)前的軌道替換為一個保持在遠(yuǎn)日點距離的軌道，就可以使地球在3億多年的時間里不增加能量輸入。

然而，這不僅是一項艱難的任務(wù)，甚至可以說是一項近乎不可能的任務(wù)。地球之所以在今天這樣的軌道上繞太陽運行，就是因為在這個軌道的每一個點上，地球的動能（繞太陽運行的能量）與當(dāng)前距離上太陽的重力勢能相平衡。如果我們設(shè)法使地球的動能減少，就會導(dǎo)致地球以更快的速度被金星的引力所吸引，最終并入金星的軌道。

在未來20億年里，我們必須將地球與太陽的平均距離從目前的1.496億公里擴(kuò)大到1.64億公里，以保持從太陽輸入到地球的能量不變。但別忘了地球有著令人難以置信的質(zhì)量：約為6×10千克。要讓地球進(jìn)入一個更遠(yuǎn)離太陽的穩(wěn)定軌道，我們必須向地球額外輸入4.7×10焦耳的能量——這相當(dāng)于人類連續(xù)20億年所產(chǎn)生的累計能量的50萬倍。

要向地球輸入如此巨大的能量看起來似乎是很高的要求，但也是可行的。事實上，太陽本身就有足夠的能量供我們收集——在目前的地日距離下，只要沒有東西擋住太陽光，則每平方米區(qū)域都能接收到1500w的連續(xù)光能，即每秒1500焦耳的能量，而我們有20億年的時間（約6×10秒）來完成以下工作：收集太陽能；將太陽能轉(zhuǎn)換成推力；利用這種推力來改變地球的動量和動能。

收集能量是這個問題中最困難的部分之一。有研究者提出了一個可能具有巨大前景的設(shè)想，那就是在太空中建立太陽能收集陣列。這可能需要一個規(guī)模驚人的陣列，總面積達(dá)到5×10平方米，大約相當(dāng)于10個地球的表面積，才能收集到必要的太陽能。更重要的是，從另一個角度來看，我們需要的太陽能“只占”太陽總能量的0.000002%，這樣的能量規(guī)模仍然相當(dāng)巨大，但并非不可能。

另一個關(guān)鍵是如何有效地利用這些能量提升地球的軌道。從物理學(xué)的角度，我們必須在一定時間內(nèi)施加一個外力，產(chǎn)生一個能帶來加速度的脈沖，從而改變物體的動量。將火箭發(fā)射到太空的物理原理同樣適用于將地球發(fā)射到更高的軌道。我們所要做的就是施加一個推力，使地球的動量向正確的方向改變，最終推動地球離太陽更遠(yuǎn)。

因此，我們需要一臺推進(jìn)器，這種裝置（加速地球）的作用力與一個大小相等、方向相反的反作用力（排出乏燃料）相平衡。

理想情況下，我們要一直確保推進(jìn)器的作用方向是準(zhǔn)確的，使其推動地球朝著既定的移動方向前進(jìn)。然而，在一個快速且持續(xù)旋轉(zhuǎn)的星球上，做到這一點非常困難。因此，假設(shè)我們能夠收集、控制、運輸并將能量轉(zhuǎn)化為有用功，那么更好的策略便是連續(xù)多次啟動行星加速推進(jìn)器。

隨著上億年的時間過去，人類將不得不開始面臨大陸漂移的問題。但只要定期調(diào)整推進(jìn)器的位置，使其始終保持在南極點，并直接指向地球的旋轉(zhuǎn)軸，我們就不必?fù)?dān)心地球軸傾角的災(zāi)難性改變。由于南極的極點位置剛好在地球自轉(zhuǎn)軸上，所以將推進(jìn)器安裝在南極，能夠保證其始終指向地球旋轉(zhuǎn)軸。

一旦地球表面的冰全部融化，南極洲就會暴露出來。目前南極大陸仍覆蓋著巨大的冰層，但在厚厚的冰層下，一大片陸地遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出海平面。如果我們把南極洲的冰全部移走，就會發(fā)現(xiàn)南極點的海拔約為3000米。當(dāng)我們把巨大的推進(jìn)器安裝在那里，并持續(xù)啟動，就會發(fā)生一系列積極的變化：地球開始加速，并將被推到更高的軌道上；所有的推力將被利用起來，不會有一絲一毫浪費在地球當(dāng)前的運動方向上；地球?qū)⒈弧疤背瞿壳暗牡?日平面，但幅度較小，經(jīng)過20億年的推進(jìn)，地球的軌道將比現(xiàn)在的平面高出幾度。

不過，最重要的一點是，當(dāng)我們通過持續(xù)推進(jìn)增加地球動能時，我們也能更順利地跳出太陽的引力勢阱。這將使地球的軌道與太陽距離更遠(yuǎn)，使輸入地球的太陽輻射逐漸減少，我們的行星家園也就能延續(xù)更長的時間。

雖然人類無法阻止太陽耗盡氫燃料，最終進(jìn)入紅巨星階段，但我們可以通過讓地球軌道遠(yuǎn)離太陽，為地球上的生命多爭取幾十億年的生存時間。在我們已知的整個世界歷史上——也許是整個宇宙歷史上——這將是人類進(jìn)行的最宏偉的工程。

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