《流浪地球》里的趣味科學

茍利軍 黃月

春節伊始，電影《流浪地球》憑借宏大離奇的背景設定、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》，講述了一件關系全人類命運的大事：在不久的將來，科學家觀測到太陽急劇衰老，并將膨脹為一顆紅巨星，包括地球在內的整個太陽系所有天體，都面臨著毀天滅地的危機。值此危急存亡之秋，聯合國決定在地球上修建上萬座可以調整方向的重核聚變行星發動機，每個發動機產生，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恒星系，尋找新的家園。而這將是一段長達2500年的星際旅行。

作為一部硬科幻電影，《流浪地球》涉及不少科學知識，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有趣的科學故事吧！

太陽什么時候會滅亡？

占有太陽系總體質量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，如同大量氫彈在內部不斷爆炸。黃矮星的這種聚核反，應大約能持續約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，科學家觀測到太陽即將進入紅巨星膨脹階段，紅巨星階段的太陽極不穩定，會淹沒太陽系里的所有行星。不過據科學家研究推測，紅巨星是太陽燃燒到后期才會經歷的發展過程，離我們還很遙遠。

不過，據人類學家估算，由于地球自身的環境也在發生各種變化，因而人類在地球上還可以存在大約200萬年;物理學家霍金則認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。假如我們真的到達比鄰星附近，那里的環境適合人類生存嗎？

通過哈勃太空望遠鏡等強大設備的全方位觀測，科學家了解到不少關于比鄰星的信息。他們發現，位于半人馬座的比鄰星，質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，歐洲南方天文臺有了驚人的發現，該天文臺研究人員在比鄰星周圍發現了一個和地球非常相似的行星，其質量大約是地球的1.3倍，公轉周期為11.2天，且正好位于比鄰星的宜居區中，研究人員將這顆行星命名為“黯淡紅點”。

為了進一步找到“黯淡紅點”和地球的共同點，天文學家使用了一個名為“地球相似指數”的參數，來衡量這顆行星和地球的相似度，最終發現，“黯淡紅點”和地球的相似指數竟達到了86%！

是不是覺得這個新世界很吸引人呢？不過先別高興得太早，因為相似指數僅僅用于描述其本身。由于“黯淡紅點”所圍繞公轉的恒星比鄰星，質量遠遠低于太陽，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也更加靠近中心恒星;又由于“黯淡紅點”和比鄰星離得很近，這就會導致著名的天文學現象——潮汐鎖定，使得“黯淡紅點”行星始終只有一面朝向比鄰星。潮汐鎖定導致的另一例廣為人知的天文現象，就是月球始終只有一面面向地球。

由于“黯淡紅點”等靠近比鄰星的行星，永遠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很高，而背對恒星的那一面溫度將會很低。

除了潮汐鎖定，比鄰星的宜居區行星還會面臨另一個麻煩，那就是中心恒星頻繁的爆發。

據天文學家進一步觀察發現，雖然比鄰星的質量比太陽小，但其爆發頻率和爆發時所釋放出來的能量，卻比太陽大得多，這就導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。此外，由于潮汐鎖定，根據現有理論推測，比鄰星周圍的行星很可能不具備磁場，假如劇烈的恒星風持續吹向行星，即使行星本身有大氣，也會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動？

電影里提及，由于人類要讓地球始終朝某個方向持續飛行，所以“流浪地球”計劃的第一步是先讓地球停止自轉?，F實中，我們真的能讓地球不再轉動嗎？

首先我們要知道地球的轉動能量，為2.24×1029焦耳，這個能量是很驚人的。我們來對比一下，歷史，上試驗過的氫彈中，釋放能量最強大的當屬大伊萬氫彈，其爆炸時釋放了5000萬TNT當量，也就是2.1×1017焦耳。而地球的轉動能量就相當于約1萬億個大伊萬氫彈同時爆炸。

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

在《流浪地球》電影里，每個行星發動機通過重核聚變產生的推力為150萬億噸，這樣一臺發動機在赤道上持續產生反推力，需要21857天，也就是60年左右，才能讓地球停止自轉。不過影片中，聯合政府可不止安裝了一臺這樣的發動機在赤道，一萬多個行星發動機中，就有不少赤道發動機，比如主角一行前去維修的印度尼西亞蘇拉威西發動機。若是赤道上共計有100個以上這樣的發動機，理論上就可以在較短的時間內讓地球停止自轉。

一旦地球停止轉動，將會發生什么？

影片中提到，地球實現停止自轉后，不可避免地發生了全球性的巨大災難，導致人類數量大幅度削減，這是很真實的科幻預測。地球自轉最直接的后果，就是陸地的大量消失。

地球在轉動時，由于離心力作用，液態的海水會向赤道附近聚集，使得赤道附近儲備了大量的海水。假如地球真的停止自轉，離心力消失，赤道附近的海水將向地球的兩極流動，屆時大陸將被淹沒，地球將成為一顆藍色的大水球，只剩赤道附近的一圈超級大陸尚且凸顯在地表。

就算這塊位于赤道上的唯一大陸，也不是絕對安全的。因為在地球自轉時，同樣由于離心力作用，地球的赤道地殼相較其他區域也會更突出一些;假如停止自轉，赤道附近失去了離心力，這塊僅存大陸的版塊也將坍縮，引發一系列的全球性海嘯和地震。

由此可見，當地球停止自轉，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入木星周圍？

整部電影講述了人類在完成地球停轉初級階段后，進入旅行階段初期發生的一次危機，這次危機源于地球不小心突破了木星的“剛體洛希極限”，差點和木星發生了撞擊。

有的朋友可能覺得奇怪，既然科學家已經設定好了地球的推進路線，為什么不能避開木星，卻非要飛得離它很近，導致差點撞上去呢？其實，聯合政府的科學家是故意讓地球飛向木星，因為咱們要在木星的幫助下才能順利“逃跑”！

現實中，美國宇航局研制的無人探測器“旅行者一號”，在飛離太陽系前往深空探險的時候，為了節省能源，借助了一種叫做“引力彈弓”的效應，利用木星和土星的兩次引力加速，逃離了太陽系。

“引力彈弓”的原理其實很簡單，由于木星或土星等行星本身也在圍繞太陽轉動，所以當它們吸引探測器或其他天體的同時，也賦予了這些探測器或天體一部分速度，當探測器或者其它天體逃離出去的時候，就相當于被加速了。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網球，在網球被彈飛的瞬間，靜止不動的我們看到的網球飛行速度，其實是火車速度和網球原先速度的疊加。所以當地球作為一個天體，飛向木星并從木星周圍逃離的時候，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速度的疊加！

據聯合政府科學家計算得出，地球正是需要這樣的疊加速度，才能達到駛，離太陽系所需的逃逸速度?？梢?，讓地球飛向木星借力是何等明智的壯舉，能為全人類節省無比龐大可觀的資源，只不過地球上的行星發動機臨時發生了故障，才導致“突破洛希極限”這一意外的發生。

《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，也讓無數深愛科幻的朋友們欣喜不已。它的成功，也將鼓舞每一個認真的電影人，去制作出更多精品。