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文中插圖來源：《流浪地球》

在不遠(yuǎn)的將來，太陽因?yàn)樗ダ祥_始急速膨脹，太陽系不再適合人類生存。為了避免被毀滅的命運(yùn)，人類啟動(dòng)“流浪地球”計(jì)劃，在地球表面建造了一萬座行星發(fā)動(dòng)機(jī)，將地球變作一個(gè)巨大的宇宙飛船逃離太陽系，尋找并建造新的家園。在浩渺的宇宙中，地球和人類開啟了預(yù)計(jì)長(zhǎng)達(dá)2500年的流浪之旅。

這是新年伊始上映的硬核科幻大作《流浪地球》中的情節(jié)。這部電影根據(jù)我國(guó)著名科幻小說家劉慈欣先生的同名小說改編而成，充滿了豐富的想象力，其恢弘的場(chǎng)面給觀眾們帶來了極大震撼。

作為一部硬核科幻電影，《流浪地球》中涉及到了許多物理學(xué)知識(shí)。如果不了解這些知識(shí)，電影的一些情節(jié)可能會(huì)讓你一頭霧水，精彩程度也會(huì)大打折扣。下面，我們就一同來了解《流浪地球》中的物理學(xué)。

自古以來，對(duì)于太陽的贊美可謂是不計(jì)其數(shù)。太陽作為光明之始、生命之源，在神話時(shí)代就處于顯赫的位置。在埃及人的宗教神話中，太陽崇拜占據(jù)了主導(dǎo)地位，太陽神很早就同化了許多其他的神靈。在一些階段，法老擁有太陽的不朽。作為太陽初升之地的東方是生命之地，冥界之王奧西里斯（Osiris）不會(huì)在此行走。很多神話中都有至上之神的“太陽化”。至上天神們往往具有儲(chǔ)藏和分配“生命”的角色，而太陽在生命過程中的作用是無可替代的（這是太陽化的重要原因之一）；因此，天神逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘柹?。太陽神也開始具有創(chuàng)造萬物和生殖的能力。在帝汶島，“太陽之主”烏希-尼諾（Usi-Neno）和他的妻子——“大地之母”烏希-阿婦（Usi-Afu）結(jié)合產(chǎn)生了整個(gè)世界，一些酋長(zhǎng)則被稱作“太陽之子”?？ǚㄈ耍↘affa）稱至上神為阿波（Abo），意思是“父親”和“太陽”，太陽是這位神的化身。

但太陽的下落會(huì)帶來黑暗。一個(gè)在新西蘭廣為流傳的信仰認(rèn)為，只要在黃昏時(shí)看一眼太陽就會(huì)導(dǎo)致死亡。太陽“吸走”生命物的靈魂，但同時(shí)也引導(dǎo)死者的靈魂。在印度人那里，太陽具有兩面性：他是人類真正的祖先，有時(shí)卻等同于死亡，因?yàn)樗麜?huì)吞噬他的孩子。下面我們會(huì)看到，這一神話中的恐怖之事終將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；而這也是“流浪地球”計(jì)劃開啟的原因。

首先，我們需要了解太陽的能量來源。宇宙空間中存在著許多氣體和塵埃，它們大片地聚集在一起變?yōu)樵贫浒愕男螒B(tài)，即星云。星云中氣體、塵埃的分布是不均勻的；在一些密度較大的區(qū)域，這些小顆粒們會(huì)通過萬有引力互相吸引并聚集起來，聚集物會(huì)像滾雪球一般越來越大，成為如太陽一般的恒星的雛形。引力作用使得聚集物持續(xù)收縮，中心的溫度不斷上升。其實(shí)這是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的過程——引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能。

但為什么聚集物沒有持續(xù)收縮為一個(gè)點(diǎn)呢？這是因?yàn)槲⒂^粒子總是在做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，且溫度越高，運(yùn)動(dòng)越劇烈；粒子們的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力阻止收縮。如果壓力正好等于引力，便會(huì)形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

當(dāng)中心溫度上升到一定程度時(shí)，核反應(yīng)開始發(fā)生。在太陽中，四個(gè)氫原子核（即質(zhì)子）聚合在一起，發(fā)生我們所謂的“核聚變”反應(yīng)，經(jīng)過一些中間過程最終變?yōu)橐粋€(gè)氦原子核，釋放出巨大的能量。這些能量從何而來？由于四個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量大于一個(gè)氦原子核，而愛因斯坦的質(zhì)能方程告訴我們：能量=質(zhì)量x光速x光速。光速是個(gè)很大的數(shù)，因此很小的質(zhì)量也能產(chǎn)生極大的能量。正是核聚變反應(yīng)前后的那一點(diǎn)質(zhì)量差產(chǎn)生了太陽偉大的能量。這些能量從發(fā)生反應(yīng)的核心區(qū)域傳遞到太陽表面，以光的形式到達(dá)地球，成為許多生命的能量之源。

對(duì)于和太陽同等大小的恒星來說，這種核反應(yīng)過程可以持續(xù)約100億年。但對(duì)于質(zhì)量更大的恒星，時(shí)間則要短得多。因?yàn)榇筚|(zhì)量恒星所包含的物質(zhì)更多，向中心收縮的引力更大，這會(huì)導(dǎo)致其中心溫度高于太陽，核反應(yīng)的速度也更快；因此，作為燃料的氫會(huì)很快耗完。在一個(gè)質(zhì)量等于二十個(gè)太陽的恒星中，這種核反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間約為一百萬年，遠(yuǎn)小于地球上的地質(zhì)時(shí)間尺度。

我們的太陽大約是在45.7億年前誕生的。現(xiàn)在的太陽正處在穩(wěn)定的壯年時(shí)期。核聚變產(chǎn)生的能量及壓力、能量擴(kuò)散所導(dǎo)致的損耗和太陽中物質(zhì)之間的萬有引力達(dá)到了一個(gè)完美的平衡。天文學(xué)家們稱那些像現(xiàn)在的太陽一樣處于這個(gè)穩(wěn)定時(shí)期的恒星為“主序恒星”。

但是，隨著核反應(yīng)過程不斷進(jìn)行，太陽內(nèi)部的氫逐漸變成氦；這些氦將堆積在太陽里面。由于核聚變反應(yīng)是四個(gè)氫核產(chǎn)生一個(gè)氦核，原子核的總數(shù)變少，使得抵抗引力的壓力變小，星體略微收縮，因此太陽的中心溫度將慢慢上升，內(nèi)部核反應(yīng)的速率也會(huì)逐漸增加。現(xiàn)在，太陽的核反應(yīng)速率已經(jīng)比它剛變成主序恒星時(shí)大百分之三十左右。由于核反應(yīng)速率不斷加快，在大約五十億年以后，太陽輻射出的能量將會(huì)是現(xiàn)在的兩倍！

那時(shí)，地球?qū)?huì)受到太陽前所未有的炙烤，其情形可能比后羿射日之前更為糟糕——地球表面的溫度可能會(huì)超過300攝氏度，海洋、河流中的液態(tài)水均會(huì)沸騰，變成水蒸氣。如果我們并未進(jìn)化到足以在這樣的地球上生活下去，那時(shí)就必須考慮離開地球了。當(dāng)然，我們也不必過于急躁，畢竟這是五十億年以后才會(huì)發(fā)生的事情，我們還有充足的時(shí)間享受美好的生活。

假如我們五十億年以后的科技已經(jīng)可以創(chuàng)造出在300度高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)良好的生物圈，那我們是否就不用逃離太陽系了呢？遺憾的是，答案是否定的。

當(dāng)太陽中心區(qū)域的氫燃燒得所剩無幾時(shí)，上面提到的那種核聚變反應(yīng)便會(huì)停止。這時(shí)，待在太陽中心的是一個(gè)由氦構(gòu)成的核心。由于核反應(yīng)已經(jīng)停了下來，引力開始占據(jù)主導(dǎo)地位，將太陽核心附近的物質(zhì)向中心壓縮。于是，太陽的中心溫度開始持續(xù)上升，核心外部的溫度也隨之升高。結(jié)果是離中心較遠(yuǎn)的一些氫也被點(diǎn)燃，開始進(jìn)行核反應(yīng)，并驅(qū)使太陽較外的部分膨脹。這時(shí)太陽已經(jīng)進(jìn)入了紅巨星階段。接下來，它會(huì)不斷膨脹，吞沒水星和金星，表面可能會(huì)到達(dá)當(dāng)前地球軌道的位置，其半徑大約會(huì)是現(xiàn)在的200倍。

那太陽也會(huì)將地球吞入肚中嗎？事實(shí)上，太陽在膨脹過程中會(huì)流失一部分質(zhì)量，因此對(duì)地球的萬有引力減弱，使地球軌道的半徑擴(kuò)大。如此看來，地球可能會(huì)逃過一劫，但下面我們會(huì)看到，離太陽或者木星這類大質(zhì)量天體太近，還會(huì)遇到可怕的潮汐力；除了表面可能已被完全烤干，地球還會(huì)被撕得粉身碎骨。我們必須在太陽給予死亡的懲戒前逃離這里，否則就將被吞噬。

膨脹的太陽

由于中心溫度不斷上升，太陽核心處的氦也會(huì)被點(diǎn)燃，發(fā)生一種新的核反應(yīng)——氦變成碳。但令人吃驚的是，占太陽質(zhì)量百分之四十的氦會(huì)在短短幾分鐘之內(nèi)反應(yīng)完畢！而之前的氫卻持續(xù)燃燒了數(shù)億年。天文學(xué)家將這一過程稱為“氦閃”。值得注意的是，“氦閃”釋放的能量相當(dāng)于太陽正常燃燒數(shù)百萬年所產(chǎn)生的能量。

當(dāng)然，氦也有燃盡的一天。這時(shí)太陽的核心將會(huì)坍縮，變成一顆白矮星；外層的物質(zhì)則會(huì)彌散開來，形成行星狀星云。白矮星之所以叫白矮星，是因?yàn)樗w積小，且呈白色。我們知道，鐵塊很快就能被燒紅，但要出現(xiàn)白色是比較困難的。這是因?yàn)榘l(fā)白光的鐵塊溫度更高。同樣，白矮星的溫度也很高，平均的表面溫度為一萬攝氏度。白矮星也擁有很高的密度，一立方厘米的白矮星重達(dá)一噸。在這里，太陽走到了盡頭；遺存下來的白矮星會(huì)在數(shù)十億年中逐漸冷卻和黯淡。

如果一顆恒星的質(zhì)量是太陽的三倍，那在它演化的后期會(huì)發(fā)生一次劇烈的大爆炸，科學(xué)家將其稱為“超新星爆發(fā)”。這一爆發(fā)會(huì)釋放極大的能量，其光芒甚至能夠照亮整個(gè)星系。2016年1月，中國(guó)科學(xué)家觀測(cè)到最強(qiáng)超新星，亮度是太陽的5700億倍。這是恒星死亡前的最后一次輝煌。

《流浪地球》中出現(xiàn)的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，每座高達(dá)11千米，它們的作用是提供地球前進(jìn)的動(dòng)力——根據(jù)設(shè)定，一共能產(chǎn)生150萬億噸的推力，如果將單位換作牛頓，大約是150億億牛頓。地球的質(zhì)量約為6億億億千克，利用牛頓第二定律——加速度=力∕質(zhì)量，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)地球的加速度大約等于0.00000025米∕（秒x秒），這可能很難推動(dòng)地球。

行星發(fā)動(dòng)機(jī)

這些發(fā)動(dòng)機(jī)的力量也來源于核反應(yīng)，但反應(yīng)原料卻是石頭！地球上的巖石儲(chǔ)量可以說是相當(dāng)豐富了，不愁發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。氫和氦是最輕的元素，而石頭中的氧、硅、鈣等元素較重，它們發(fā)生核反應(yīng)的條件極為苛刻。目前，只有在大質(zhì)量恒星的中心部位才可能發(fā)生這樣的核反應(yīng)，那里極高的壓強(qiáng)和溫度讓不夠先進(jìn)的文明望而卻步。看來，人類要建成這種重元素聚變的發(fā)動(dòng)機(jī)還需要發(fā)展N年。

要想造出這種發(fā)動(dòng)機(jī)，還需要一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即控制核聚變的能力。人類發(fā)明出的氫彈也是利用了輕核的聚變反應(yīng)。當(dāng)然，這是不可控的核反應(yīng)；與太陽相比，那么一點(diǎn)物質(zhì)產(chǎn)生的引力并不足以將反應(yīng)控制在一定區(qū)域內(nèi)。反應(yīng)產(chǎn)生的能量會(huì)迅速向周圍釋放，產(chǎn)生毀滅性的打擊。只有將反應(yīng)約束到一定范圍之內(nèi)，才能成為可利用的能源。

這一技術(shù)的難點(diǎn)主要在于聚變反應(yīng)的溫度很高，地球上沒有任何容器可以承受核聚變，因此只能尋找其他方法。目前主流的方案有兩個(gè)：磁約束與慣性約束。我們知道，原子核是帶正電的；磁約束主要是利用托卡馬克裝置建立一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，從而將反應(yīng)的物質(zhì)約束起來。而慣性約束則是將反應(yīng)原料裝到一個(gè)小膠囊里面，然后用高能激光束照射，使其達(dá)到反應(yīng)所需的溫度和壓強(qiáng)。在反應(yīng)的極短的時(shí)間內(nèi)，反應(yīng)物來不及擴(kuò)散便已完成反應(yīng)，從而達(dá)到約束的目的；這一過程只有幾個(gè)皮秒（1皮秒等于萬億分之一秒）。

中國(guó)的托卡馬克裝置——東方超環(huán)（EAST）

（圖源：lssf.cas.cn）

人類在控制核聚變的路上還需多年的探索，但這項(xiàng)技術(shù)的研究已經(jīng)出現(xiàn)了曙光。相信在不遠(yuǎn)的將來，我們便會(huì)看到核聚變的反應(yīng)堆——那是和太陽一樣的能量，我們將真正的天火盜來了地球。

在電影中，當(dāng)?shù)厍蚪咏拘菚r(shí)，推動(dòng)地球前進(jìn)的行星發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了故障。如果地球和木星之間的距離超過洛希極限，木星的潮汐力就會(huì)把地球撕碎！這究竟是為什么呢？

木星臨近

牛頓的萬有引力定律告訴我們，兩個(gè)物體之間的引力與它們之間的距離有關(guān)，而且距離越近，引力越大。這意味著，當(dāng)你在地球表面行走時(shí)，頭部受到的地球引力是小于腳部的。萬幸的是，地球的引力并不算很大，人類頭部和腳部的引力差幾乎不會(huì)產(chǎn)生什么影響。但是，當(dāng)你來到一個(gè)黑洞附近時(shí)，黑洞的巨大引力會(huì)使引力差變得很大，你將會(huì)被扯成面條。這種由引力差產(chǎn)生的力量便是“潮汐力”。

木星是一個(gè)大質(zhì)量的行星，其產(chǎn)生的引力也是十分可觀的。如果地球離木星較遠(yuǎn)，那么潮汐力還不足以撼動(dòng)使地球成形的萬有引力。一旦距離過近，潮汐力便開始占據(jù)上風(fēng)。這個(gè)臨界距離稱為木星的“洛希極限”；這一極限值是由法國(guó)天文學(xué)家洛希首先求得的。超過洛希極限，地球就會(huì)被潮汐力摧毀。這真是一種可怕的命運(yùn)，難怪在電影中，人類要不惜一切代價(jià)地?cái)[脫木星。既然木星這么危險(xiǎn)，那為什么要靠近木星呢？這就得說起“引力彈弓”了。

“引力彈弓”是一種比較成熟的航天技術(shù)，利用一些天體的引力來改變航天器運(yùn)行的方向和速度。我們可以想象這樣的場(chǎng)景：一個(gè)系有繩子的小球正在飛行，繩子的另一端握在你的手里。如果你將之前松弛的繩子突然拉直，根據(jù)你拉繩子的方向，小球會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向或加速。同樣，在宇宙空間，引力會(huì)起到類似于繩子的作用。只要我們進(jìn)行恰當(dāng)?shù)挠?jì)算，便可以很好地利用引力為我們服務(wù)。

引力彈弓效應(yīng)的應(yīng)用，早在上個(gè)世紀(jì)七八十年代便已十分廣泛。其中最為著名的便是“旅行者號(hào)”的“偉大航路（grand tour）”。在1980年前后，木星、土星、天王星和海王星都會(huì)運(yùn)行到太陽系的同一側(cè)。旅行者1號(hào)和2號(hào)利用這次難得的機(jī)會(huì)，多次借助引力彈弓效應(yīng)進(jìn)行航線修正，一次便對(duì)太陽系的好幾顆行星進(jìn)行了探測(cè)，并且達(dá)到了很高的航速，從而飛出太陽系。

電影中人類的“流浪地球”計(jì)劃也是想要利用木星的引力彈弓效應(yīng)對(duì)地球進(jìn)行加速，從而更快地離開太陽系。對(duì)于科幻作品而言，這是一次成熟技術(shù)的再現(xiàn)。

流浪地球的最終目的地是比鄰星。比鄰星是離地球最近的恒星，大約在4.2光年以外，這個(gè)距離相當(dāng)于399233億公里；對(duì)于我們現(xiàn)在的科技來說，這是一個(gè)十分遙遠(yuǎn)的距離。如果乘坐目前最快的宇宙飛船去比鄰星旅行，來回就得17萬年。

“流浪地球”計(jì)劃

恒星的能源對(duì)地球來說十分重要，這樣看來最近的比鄰星似乎是最優(yōu)選擇了。但比鄰星也許并不是那么的理想。首先，比鄰星的質(zhì)量比較小，因此也比較暗，而且會(huì)經(jīng)常爆發(fā)耀斑——這是一種大量能量的釋放，同時(shí)伴有物質(zhì)拋射。對(duì)于離比鄰星并不遙遠(yuǎn)的居民來說，耀斑會(huì)帶來很大的麻煩。如果地球進(jìn)入環(huán)繞比鄰星的軌道，耀斑很可能會(huì)對(duì)生態(tài)圈產(chǎn)生致命的打擊。

另一個(gè)問題在于，比鄰星附近還有其他兩顆恒星。地球進(jìn)入任何一顆恒星的系統(tǒng)后都會(huì)受到其他恒星引力的影響，地球軌道很難處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，比鄰星也許并不適合作為人類的第二個(gè)家園。

看完這部電影后，除了視覺上的滿足，我們更會(huì)感受到地球的脆弱。在廣袤的宇宙中，目前并未發(fā)現(xiàn)別的生命痕跡。我們的存在似乎有太多的偶然：穩(wěn)定的太陽，適宜的溫度，保護(hù)生命的大氣，滋潤(rùn)萬物的水……同時(shí)，人類的偉大也讓我們振奮。在保衛(wèi)自己生存的權(quán)利時(shí)，人類沒有一絲迷茫，只是拼盡全力，爭(zhēng)取最后的希望。正是生命的不懈與拼搏，彰顯著宇宙的活力和生機(jī)。

參考資料：

[1] 米爾恰·伊利亞德，《神圣的存在——比較宗教的范型》，廣西師范大學(xué)出版社（2008）

[2] F·霍伊爾，J·納里卡，《物理天文學(xué)前沿》，湖南科學(xué)技術(shù)出版社（2007）

[3] https://www.cnbeta.com/articles/science/816409.htm

[4] http://tech.qq.com/a/20190206/000751.htm

[5] Dan Maoz, Astrophysics in a Nutshell, Princeton University Press(2016)

[6] https://mp.weixin.qq.com/s/FCpkcb3lN9L-09IQrb4urQ