流浪地球，有更好的方式(上)

2019年的這個春節和情人節，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，科學家們發現太陽急速衰老膨脹，演化成為紅巨星，并將導致地球毀滅。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建造上萬座發動機和轉向發動機，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“引力彈弓”加速，卻因木星的潮汐力突增，導致地球面臨墜入木星的風險。在生死存亡的時刻，位于地球和空間站上的人類聯手展開自救，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、萬座高聳入云的發動機、點燃木星等等科幻設定，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，更是讓我們產生一種勇于擔當的民族自豪感。

然而遺憾的是，那些重要的科幻設定卻沒什么科學合理性，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，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，為了應對這次巨大的太陽系災難，人類在地球的北半球建造了一萬座重核聚變發動機和轉向發動機，準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動機：它們高達11千米，比珠峰朗瑪峰還高2.2千米。每座發動機能提供150億噸的推力，全球一萬座發動機能提供150萬億噸的推力。

重核聚變發動機是什么？它們產生的動能能將地球推離自己的軌道嗎？

這種威力巨大的發動機，就是利用巖石中的硅元素進行核聚變反應，獲得高能高壓的等離子流。說白了，發動機的燃料就是石頭。理論上來說，石頭確實可以當燃料，石頭的主要成分是硅，在非常苛刻的條件下可以發生核聚變。

但越重的原子核，進行聚變所需要的能量越大，聚變所產生的能量越小，例如，氫聚變所產生的能量是同樣質量硅聚變所產生能量的30倍。而且重于碳的核聚變已經非常困難，只有大質量恒星演化晚期才能發生，而硅雖然理論上可以產生聚變，但所需要的溫度是30億度！地球無法產生那樣高的溫度，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“重核聚變發動機”除了聽起來很高大上、很嚇人外，在科學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，據計算，海水中氘的總儲量竟達幾百億噸，數量之大，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。有如此優質高效的核聚變材料，我們何必舍易取難，要開發得不償失的以硅為原料的重核聚變呢？

當然，無論燒石頭還是燒水，都不可能在短時間內將地球推開。根據計算，電影中1萬座發動機要持續不斷地工作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：反物質發動機。

反粒子跟通常所說的電子、質子相比較，電量相等但電性相反;反物質是由反粒子構成的，如同普通物質是由普通粒子所構成的。例如一顆反質子和一顆反電子（正電子）能形成一個反氫原子，如同電子和質子形成一般物質的氫原子。

當正反物質相遇時，雙方就會相互湮滅抵消，兩個粒子的質量幾乎完全轉化成能量，效率大大高于核裂變和核聚變。就所有物理反應而言，這是效率最高的燃料。我們可以比較一下每千克發動機燃料的效果，很理想的化學反應可以產生1×107焦耳的能量，核裂變產生8×1013焦耳的能量，核聚變產生3×1014焦耳的能量，而反物質的湮滅能產生9×1016焦耳的能量，是氫氧化學反應的90億倍、氫核聚變反應的300倍。一片阿司匹林那么大的反物質同物質湮滅產生的能量足以讓一艘飛船巡弋數百光年，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毫克的反物質代替。而且“湮滅”效應是自然發生的，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”號宇宙飛船可實現曲速飛行、超光速抵達宇宙中任何一個地方，都仰仗于它的反物質動力系統。

利用反物質發動機啟動地球更具科學合理性。迄今為止，多國物理學家已在實驗室中制造出了正電子、反質子和反中子，乃至反氫原子。但反物質現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年發射升空的“反物質-物質與輕核天體物理學探測器”，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，分內外兩層，以美國物理學家詹姆斯·范艾倫命名）中發現了一個反質子帶。2009年科學家又發現了一個驚人的現象：宇宙射線中反物質粒子數量過剩，這說明我們宇宙中存在著反物質?？梢韵胂?，隨著人類科技的發展，利用宇宙中的反物質來制造反物質發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？

資源循環也是大問題。沒有人能預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系統，資源到底如何重復循環利用是個問題。除此之外，地下環境怎么去適應，怎么解決空氣流通，怎么防止出現心理疾病，等等，都具有很大的挑戰性，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，根據計算，當地球表面降到-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米深處的壓強相當于1000個標準大氣壓，在這么深的地底，如何進行大規模的施工就是一個問題，更不要說幾乎沒有材料能頂得住這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，海洋表面會凍結，但我們的海域需要再過1000年才能凍結。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。當然，1000年之后，人類如何防止海洋完全凍結，或者如何建造新的生活居住區，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（那時海水淡化技術早已不在話下）、核能資源（海水中的氘是最佳的核聚變燃料之一）等等。事實上，水下城市已經不僅僅是我們天馬行空的想法，隨著3D打印技術、碳納米管和納米金剛石技術的不斷發展和應用，一些科學家已經開始認真考慮這種可能性。 （未完待續）