新 聞 背 景

大年初一，中國科幻電影《流浪地球》登陸各大影院，在競爭激烈的春節(jié)檔  期收獲票房冠軍。電影根據(jù)劉慈欣同名科幻小說改編而來，講述了一個(gè)發(fā)生在  不遠(yuǎn)未來的故事：太陽急劇老化，隨時(shí)都有可能進(jìn)入到紅巨星的膨脹階段，地球  也將因此被吞噬。在此危急關(guān)頭，為了地球人的存亡，聯(lián)合共和國作出了一項(xiàng)  緊急決定，在地球上建造上萬座重核聚變行星發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)產(chǎn)生上百萬億噸的  推力，把地球變成一個(gè)龐大的宇宙飛船，駛離現(xiàn)有軌道，駛向距離太陽系最近的  一顆恒星——比鄰星，從而開啟了一段長達(dá)2500年的星際旅行。  

今天，我們就電影中涉及到的一些科學(xué)故事來聊一聊，也不失為一件有趣  的事。

太陽什么時(shí)候會(huì)滅亡？

太陽誕生于約 50 億年前的一次星云  坍縮，太陽系的其它行星緊跟其后。太陽  提供的能量來自于其中心氫氣的聚核反  應(yīng)，如同大量氫彈在太陽內(nèi)部不斷爆炸，按  照現(xiàn)有的數(shù)據(jù)估算，這種聚核反應(yīng)總共將  持續(xù)約100億年，所以，太陽還可以再燃燒  50億年左右。  

在小說《流浪地球》中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)太  陽異常，并預(yù)測太陽將進(jìn)入紅巨星膨脹階  段，在接下來的數(shù)百年時(shí)間里淹沒地球軌  道。紅巨星是恒星燃燒到后期所經(jīng)歷的一  個(gè)較短的不穩(wěn)定階段。不過人類學(xué)家曾經(jīng)  估算過，因?yàn)橹車h(huán)境的各種變化，人類在  地球上還可以存在的時(shí)間大約是 200 萬  年。而物理學(xué)家霍金曾經(jīng)更為悲觀，因?yàn)? 人類使用能源的沒有效率，預(yù)言幾百年后  就需要考慮離開地球。  

在某個(gè)時(shí)間，地球在被淹沒之前就已  經(jīng)移到太陽系的宜居區(qū)之外，不再適合生  命存在，反而在那個(gè)時(shí)候，火星將完全進(jìn)入  宜居區(qū)。

比鄰星是可能的歸宿嗎？

半人馬座比鄰星是除太陽之外距離地  球最近的一顆恒星，距離我們4.2光年。如  果真的有“流浪地球”計(jì)劃，地球真的流浪  到半人馬座比鄰星周圍，那里的環(huán)境適合  人類生存嗎？  

根據(jù)哈勃等強(qiáng)大望遠(yuǎn)鏡對(duì)于半人馬座  比鄰星的多項(xiàng)觀測，我們還是可以了解到  有關(guān)這個(gè)恒星的不少信息。半人馬座比鄰  星質(zhì)量只有太陽質(zhì)量的七分之一，屬于紅  矮星，它的亮度比太陽低。  

在劉慈欣寫《流浪地球》這篇小說的  1999年，人們并不知道半人馬座比鄰星周  圍是否有行星存在。而在2016年年底，歐  洲南方天文臺(tái)一個(gè)名為“黯淡紅點(diǎn)”的發(fā)現(xiàn)  讓天文學(xué)家和大眾都非常興奮——科學(xué)家  們?cè)诎肴笋R座比鄰星周圍發(fā)現(xiàn)了一個(gè)和地  球非常類似的行星，它的質(zhì)量大約是地球  質(zhì)量的1.3 倍，公轉(zhuǎn)周期為11.2 天，位于半  人馬座比鄰星的宜居區(qū)當(dāng)中。天文學(xué)家使  用了一個(gè)名為“地球相似指數(shù)”的參數(shù)，來  描述這一行星和地球的相似度，“黯淡紅  點(diǎn)”的相似指數(shù)高達(dá)86%。  

即便如此，這顆行星的某些性質(zhì)與地球  仍相差甚遠(yuǎn)。因?yàn)榘肴笋R座比鄰星質(zhì)量遠(yuǎn)  低于太陽，所以圍繞半人馬座比鄰星的宜居  區(qū)也相應(yīng)地更加靠近中心恒星。又因二者  非?？拷?，天文學(xué)中非常常見的一種現(xiàn)象便  會(huì)出現(xiàn)——潮汐鎖定。潮汐鎖定使得行星  只有一面朝向中心恒星。在某種程度上，這  類似于我們熟悉的月亮，我們只能看到月球  的一面。所以，行星永遠(yuǎn)朝向中心恒星的一  面溫度會(huì)很高，而另外一面溫度很低。 

在潮汐鎖定之外，還有一個(gè)更為重要  的問題，那就是中心恒星頻繁的爆發(fā)現(xiàn)  象。盡管半人馬座比鄰星質(zhì)量比太陽質(zhì)量  小，但它的爆發(fā)頻率和釋放出來的能量要  比太陽大得多。半人馬座比鄰星的行星上  所接收到的紫外輻射，比地球上用來殺死  病菌的紫外線強(qiáng)度還要高出 100 倍以上，  這對(duì)于行星上的生命來說無異于一場災(zāi)  難。更糟糕的是，一旦潮汐鎖定，根據(jù)現(xiàn)有  的理論，行星產(chǎn)生磁場的可能性就會(huì)非常  小，如果劇烈的恒星風(fēng)持續(xù)吹來，即便行星  上有大氣，在恒星風(fēng)的作用下也會(huì)逐漸逃  逸直至消失殆盡。  

基于對(duì)半人馬座比鄰星環(huán)境的以上推  測，半人馬座比鄰星可能并不是一個(gè)非常  適合地球流浪的目的地。也許，隨著科技  的高速發(fā)展，人類還可以找到除太陽之外  距離地球較近、周圍有“地球相似指數(shù)”較  高的宜居區(qū)的另一顆恒星。

人類是否能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)？

在“流浪地球”計(jì)劃中的第一步就是讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，盡管在電影中沒有直接展  現(xiàn)這一場景，但是電影當(dāng)中的旁白中有所  提及，讓我們就先來看一下這個(gè)停止轉(zhuǎn)動(dòng)  是否可以實(shí)現(xiàn)。  

我們先來了解一下地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能量是  多少，可以很容易從網(wǎng)絡(luò)上搜索到，是  2.24×1029焦耳，這個(gè)能量是非常巨大的。  

讓我們做一個(gè)簡單的對(duì)比：一顆原子  彈釋放出來的能量差不多相當(dāng)于1百萬個(gè)TNT當(dāng)量，或者相當(dāng)于4.2×1015焦耳，而  歷史上實(shí)驗(yàn)過的釋放能量最強(qiáng)的大伊萬氫  彈，釋放的能量差不多是 5000 萬 TNT 當(dāng)  量，或者就是2.1×1017焦耳。地球的轉(zhuǎn)動(dòng)  能量大約相當(dāng)于1萬億（1012）個(gè)大伊萬氫  彈同時(shí)爆炸。  

不過或許在不遠(yuǎn)的未來，人類能夠熟  練掌握了重核聚變能力的話，產(chǎn)生能量的  能力將極大提高。按照電影所說，每個(gè)行星發(fā)動(dòng)機(jī)通過重核聚變能夠產(chǎn)生150萬億  噸的推力。通過簡單計(jì)算我們可以推論，  這樣一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)如果能夠在赤道上持續(xù)不  斷地產(chǎn)生反推力，那么也需要21857天（大  約60年）的時(shí)間才能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)。  

不過按照電影所言，人類制造了一萬  個(gè)這樣的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，其中一部分是位于  赤道之上用于減速的，如果數(shù)量可以達(dá)到  100 個(gè)左右的話，那么就可以在相對(duì)比較  短的時(shí)間停止地球轉(zhuǎn)動(dòng)。這在理論上是可  能的，不過實(shí)現(xiàn)的難度也不算小。

一旦地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，將會(huì)發(fā)生什么？

最直接的一個(gè)效應(yīng)就是，沒有了轉(zhuǎn)動(dòng)，  目前地球上幾乎所有的大陸都會(huì)被海洋所  淹沒，這一點(diǎn)在電影當(dāng)中有所提及。原因  很簡單，在地球轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，因?yàn)殡x心力的  緣故，作為液態(tài)的海洋會(huì)朝向赤道附近聚  集，所以一旦地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這些水會(huì)向兩  極流動(dòng)，從而造成大陸被淹沒。在電影當(dāng)  中，人類移居到了地下生活。那么人類有可能還在地球表面生存  嗎？根據(jù)美國ESRI公司的動(dòng)畫模擬，最終  幾乎所有的大陸都會(huì)被淹沒，只剩下赤道  附近的一圈超級(jí)大陸凸顯出來。值得指出  的是，即使這赤道附近的唯一大陸，也是充  滿了很多危險(xiǎn)。在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，同樣是因  為離心力的作用，地球的赤道地殼會(huì)顯得  更為突出一點(diǎn)，然而在沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，赤  道附近缺少離心力，所以很可能會(huì)導(dǎo)致板  塊坍縮，從而引發(fā)一系列的全球地震或者  海嘯。 

而且，因?yàn)闆]有了轉(zhuǎn)動(dòng)，所以地球?qū)?huì)  有固定的一面朝向太陽，另外一面將一直  處于黑夜當(dāng)中，就仿佛我們?cè)谀蠘O或者北  極所經(jīng)歷的極晝或者極夜那樣。電影中的  中國救援隊(duì)長在地球表面運(yùn)送行星發(fā)動(dòng)機(jī)  救援修復(fù)設(shè)備時(shí)，也提到了穿越極夜區(qū)。  盡管有地球大氣的存在，但是遠(yuǎn)離太陽的  一面，還是會(huì)因?yàn)殚L期得不到太陽的照射，  從而溫度變得很低，不太適合生命的存在。

為什么流浪地球要駛?cè)肽拘侵車?/p>

整部電影所展現(xiàn)的一個(gè)主題就是如何  擺脫木星的“剛體洛希極限”點(diǎn)。這里我們  需要先明白地球駛?cè)肽拘侵車脑颉? 

木星引力是如此之強(qiáng)，為何地球不躲  著木星行駛？其實(shí)在電影當(dāng)中，聯(lián)合共和  國政府本來想通過一種叫作“引力彈弓”的  效應(yīng)，使用木星對(duì)地球進(jìn)行加速，沒想到部  分行星發(fā)動(dòng)機(jī)失效，導(dǎo)致地球被木星吸引  而逐漸進(jìn)入木星的“剛體洛希極限”，出現(xiàn)  了電影當(dāng)中所呈現(xiàn)的災(zāi)難。其實(shí)引力彈弓  效應(yīng)在探測器飛行中被廣泛使用，通常被  當(dāng)作一種節(jié)省能源的加速方式，“旅行者一  號(hào)”探測器就是利用木星和土星兩次引力  加速，才得以逃出太陽系。  

這個(gè)效應(yīng)的原理其實(shí)非常簡單，因?yàn)? 行星本身也在圍繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，所以當(dāng)行星  吸引探測器或者其它天體的同時(shí)，就實(shí)際  上賦予了探測器或者其它天體一部分速  度，當(dāng)探測器或者其它天體逃離出去的時(shí)  候，就相當(dāng)于被加速了。我們可以舉一個(gè)  簡單的類似例子來理解。  

如果我們站在靜止的地面上向運(yùn)動(dòng)  的火車頂上扔一個(gè)網(wǎng)球，在網(wǎng)球被彈起來  的時(shí)候，地面上靜止的人看到網(wǎng)球的速  度，其實(shí)就是火車速度和網(wǎng)球原來速度的  疊加。所以當(dāng)天體從某個(gè)行星周圍逃離  的時(shí)候，其實(shí)就是本來的速度和天體速度  的疊加。  

“流浪地球”，這個(gè)大膽而美麗的想象  值得我們向往。作為中國第一部科幻大  片，《流浪地球》帶給我們很多欣喜。中國  的科幻電影之路，也如中國的科學(xué)發(fā)展  之路，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，還需大家的共同  努力。 （本報(bào)綜合）