一文读懂电影《流浪地球》没有交代清楚的烧脑科学知识

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一文读懂电影《流浪地球》没有交代清楚的烧脑科学知识

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转载自微信公众号“腾讯科技”（ID:qqtech），作者：乔辉。


大年初一，根据刘慈欣的小说《流浪地球》改编的同名电影《流浪地球》在全国上映。我第一时间慕名到电影院去观看了影片。整部电影气势恢宏，讲述了太阳将变成红巨星，人类驱动地球逃离太阳系的故事。

看完影片，使我回想起高中时代的一个浪漫的夏日傍晚，我和几位同学迎着落日一起骑自行车放学回家，远方地平线上的太阳显得又红又大，像一只红红的气球。其中一位女同学开玩笑地问，太阳会不会要熄火了？引得大家哈哈大笑，说她是杞人忧日。





当太阳变成红巨星时的样子（艺术图）


从恒星的演化规律上来讲，太阳是会有熄火的那一天，不过是在遥远的50亿年之后。简单来讲，当太阳核心中的氢燃烧殆尽，生成的氦元素在引力的作用下坍缩，释放的能量进一步升高温度，点燃核心周围的氢壳层，然后太阳迅速膨胀，成为一颗红巨星。

有理论认为，太阳演化生成的红巨星非常巨大，最远能够膨胀到地球轨道。这样，水星、金星和地球都会逐渐坠入太阳而毁灭。其实，早在太阳吞噬掉地球之前，地球上的海洋早已被膨胀的红巨星烤干，生命不复存在。

我们可能听说过各种版本的“世界末日”，但太阳成变红巨星引起的“世界末日”肯定是必然会发生的！刘慈欣以太阳变红巨星这个知识点为基础，写出了著名的科幻小说《流浪地球》，讲述人类发现太阳要变成红巨星时，人类给地球安装万座巨大的核聚变发动机，推动地球逃离年迈的太阳，飞往最近的恒星——比邻星的过程。





巨大的核聚变行星发动机，高11公里，比珠穆朗玛峰还高


《流浪地球》场景非常宏大，万座核聚变发动机，高11千米，珠穆朗玛峰在发动机面前也相形见绌，电影的细节我就不谈了。我只想谈一谈这部科幻电影提及到的真正的科学知识部分。

烧脑的“氦闪”是什么现象？

文章开头我们提到了太阳演化末期会变成红巨星，会吞噬掉行星。电影中还提到一个天体物理学中的名词氦闪，我们再来具体介绍一下。





太阳从诞生到膨胀为红巨星的过程


氦闪是发生在质量介于0.5倍到2倍太阳质量的恒星演化末期。当核心处的氢燃烧殆尽，形成的氦堆积在核心处，氦不断积累自我压缩，密度增加到一定程度形成“简并态”，处于简并态的物质靠简并压（一种量子力学效应）支撑着自身重力，而非靠热压力支撑。核心处的氦的自我压缩，还会让温度升高，然而简并态物质有一个奇怪的特性：温度升高并不会导致其发生热膨胀，也就不会吸收热量，而且简并态物质的热传导性非常好，当温度一路飙升至1亿度时，氦就受不了了，发生猛烈的热核燃烧，短短几分钟就把核心6%的氦元素变成碳元素。对于太阳质量的恒星来讲，氦闪释放的能量相当于太阳燃烧3000万年。

然而，据计算，如此巨大的能量并不会对红巨星的外观造成什么可观测的影响，因为这种能量释放发生在恒星的深处，巨大的能量释放让热压力超过简并压，核心物质脱离简并态而膨胀，大部分能量都耗费在驱动核心物质膨胀当中，剩余的少部分能量被厚厚的外壳吸收。实际上，并不会发生电影中看到的剧烈景象。

本来解释一下电影中烧脑的名词，结果好像越解释越烧脑。那我再来简单总结一下氦闪的过程：氢燃烧变成的氦物质堆积在太阳核心，核心的物质越来越多，然后发生收缩温度升高，但核心的物质处于简并态，温度的升高并不能使其自动停止收缩，温度会越来越高，当跨过1亿度的门槛时，就发生了猛烈的爆炸式氦燃烧，数分钟内就把能够燃烧的氦变成了碳。但氦闪释放的能量都被太阳本身吸收，表面居然看不出内部发生了什么。

质量小于0.5倍太阳的恒星没有足够的能力发生氦闪，而质量大于2倍太阳的恒星，发生的是稳定的、温柔的氦燃烧，无需发生氦闪。猎户座中大名鼎鼎的“参宿四”就是一颗质量是太阳10倍的红巨星，核心正在发生氦平稳燃烧变成碳的过程。对于恒星的演化而言，质量几乎决定一切，当然还要考虑其金属丰度。





位于猎户座之肩的参宿四，这是一颗核心正在燃烧氦的红巨星，

如果把这颗恒星放在太阳的位置，表面甚至可以触达木星轨道。


燃烧石头的核聚变发动机

我们知道，氢弹是一种剧烈的核聚变爆炸现象，人类无法直接利用这种能量。人类需要的是可控核聚变，就是说能够平稳输出能量的核聚变装置，到目前为止还处于实验阶段。如果有人问你，我们什么时候能利用上核聚变的能量，你可以说50年后。再过10年又有人问你，你还可以说50年后，这当然是核聚变领域著名的段子，但随着技术的提升，至少八零后应该能见到核聚变发电的那一天。





中国超导核聚变装置——东方超环（EAST)


目前，中国的超导核聚变托克马克装置（EAST）以及国际联合建设的热核聚变实验堆（ITER）都让我们看到了希望的曙光。目前人类首先要驯服的是氘氚的核聚变，也是相对最容易的一种核聚变（具体核燃料用的是氘化锂）。

刘慈欣的科幻小说也经常涉及核聚变堆的概念，核聚变确实是一劳永逸地解决人类能源问题的终极手段。

在电影《流浪地球》中，为了推动地球离开太阳系，人类在地球上建造了上万座高耸入云的核聚变发动机，燃烧的不是氢，也不是氦，而是石头，真佩服大刘的知识面和想象力。大刘的烧石头不是烧成石灰石的化学过程，而是组成石头的元素的原子核发生聚变的燃烧。





给聚变行星发动机提供燃料的巨大矿山车辆


石头的组成元素非常复杂，但主要是氧、硅、铝和钙等等这些原子序数较大的元素。这些元素能聚变吗？能！但实际上，难度恐怕高级外星人也做不到吧。

宇宙当中，这些元素的核聚变发生在大质量恒星演化末期的核心处，这里的大质量最少也要8颗太阳质量以上了。实际上，我们身边的元素，除了氢和氦，基本都是在恒星燃烧、超新星爆炸以及中子星合并过程中形成的。有句话说的很好“我们其实都是核废料”。

移动地球有多难？

影片中，为了能够移动地球，设定了万台超级聚变发动机，每座11公里高，总共能产生150万亿吨的推力，严格来讲单位要用牛顿，换算一下，大约是150亿亿牛顿。地球的质量大约6亿亿亿千克，利用牛顿第二定律，可很容易计算发动机推动地球的加速度大约等于0.000000025倍的地球表面重力加速度，犹如蜉蝣撼大树，根本无法驱动地球脱离太阳。

大刘也曾后悔说“当时没有经验，竟把地球发动机的具体参数全部详细列出，详细到可以很方便地直接计算地球得到的加速度，计算的结果是：发动机只能给地球零点（N多个零）几的加速度，别说航行，改变轨道都不可能”。

“引力弹弓”是怎么回事儿？





地球摆脱木星的引力，踏上飞往比邻星的漫长旅程


影片中，地球为了逃离太阳系，设定了一个飞往木星的冒险轨道，差点毁掉地球。这种冒险的原因是为了利用木星给地球加速。这种加速的方式俗称引力弹弓（gravitational slingshot）或者叫引力助推（gravity assist）。

引力弹弓这是一种非常成熟的航天技术，现实中有着广泛的应用。人类第一次利用引力弹弓效应发生在1959年，当时苏联的月球3号探测器从月球南极后方飞过，借助月球的引力绕到月球背面并拍摄了人类第一幅月球背面的图像。这次的引力助推不但改变了探测器的飞行轨道平面，也少许增加了速度。





借助引力弹弓效应正在飞离太阳系的四个探测器


1977年，NASA著名的旅行者1号和旅行者2号发射升空，各携带带有人类信息的金唱片飞往宇宙深处。目前，旅行者1号和旅行者2号分别于2013年和2018年先后成为进入星际空间的人类探测器。这两枚探测器就充分利用过引力弹弓效应，旅行者1号在飞掠木星和土星时，利用了这两颗大行星进行了加速，然后才达到了太阳的逃逸速度。旅行者2号利用了木星、土星以及天王星的加速，但在接近海王星时，为了探测海王星的卫星”海卫一“，飞掠海王星的角度导致了相反的引力弹弓效应，速度下降了一些。导致最终速度旅行者1号比旅行者2号要快，首先进入星际空间。





先驱者号探测器携带的地球名片


携带地球名片（刻画有裸体男人和女人那个名片）的先驱者10号和11号探测器也利用过木星的引力弹弓效应进行加速。卡西尼-惠更斯土星探测器，也利用过地球、金星以及木星的引力弹弓效应。此外，还有黎明号探测器、尤利西斯探测器等等都利用过这种技术，简直不胜枚举。这里再强调一句，引力弹弓效应不但能够加速探测器，当然也可以减速探测器，诀窍在于飞掠行星的位置，这里就不展开说啦。最近的例子是2018年发射的帕克太阳探测器，该探测器就要利用金星的弹弓效应一次次逐渐降低轨道速度，逐渐靠近太阳。




地球为什么有被木星撕裂的危险？电影中反复提到的“洛希极限”是什么意思？





地球靠近巨大木星时，行星发动机喷出的等离子体火焰显得非常纤弱无力


影片中，当推动地球前进的行星发动机发生故障时，地球离木星越来越近，即便后来发动机恢复运转，但仍然无济于事，地球仍然在接近木星。地球人陷入了绝望之中，到了该吃吃该喝喝的状态。如果地球越过木星的洛希极限距离时，木星的潮汐力就会把地球撕碎！在千钧一发时刻，人类靠点燃木星和地球氧气混合气体的方法，成功把地球推离危险轨道。





地球的部分大气层已被木星的引力吸走


在天体力学中，洛希极限又称洛希半径，最早由法国天文学家洛希提出，因此称为洛希极限。我们就拿地球接近木星作为特例简单说一下：地球的物质结合在一起的主要作用力是自身的重力，当地球靠近木星的时候，木星会对地球产生强烈的潮汐撕扯作用，当潮汐力超过地球自身物质的重力结合作用时，地球就会被撕裂。地球刚开始被撕裂时，离木星的距离就是洛希极限。

土星壮观的光环就位于土星的洛希极限内，光环中的物质无法靠自身的引力聚合成较大的天体。实际上，土星环可能就是由土星的一颗天然卫星越过洛希极限被撕裂形成的。当然也可能是土星形成时剩余的物质。还有一个有趣的例子，火星的卫星“火卫一”早晚会进入火星的洛希极限内，被火星撕裂，形成围绕火星的环状系统。科学家估计这个时间大约只有3000万年到5000万年。




流浪地球的目的地——比邻星

稍有天文常识的人都知道，距离太阳系最近的恒星是“比邻星”，只有4.2光年，4.2光年对于我们来说也是巨大的空间尺度了，要知道1光年大约等于9.5万亿公里。





该图描绘了比邻星恒星系统中三颗恒星的关系，及在比邻星周围发现的一颗行星


比邻星所在的恒星系统其实是包含了三颗恒星。三颗恒星肉眼是无法分开的，看起来就像是一颗恒星。由于这三颗星是半人马座最亮的星点，因此称为“半人马座α”星。半人马座α星是由两颗太阳大小的恒星相互围绕公转，外加一颗相对距离较远的“比邻星”组成。这个恒星系统也是刘慈欣《三体》小说的切入点。实际上，这样的三体系统是稳定的，不会出现《三体》中所描述的“恒纪元”和“乱纪元”。

在2016年，欧洲南方天台发现一颗行星围绕比邻星公转，该行星距离比邻星约0.05个天文单位（750万公里），质量相当于地球的1.3倍。令人兴奋的是，该行星可能处于比邻星的宜居带上。“宜居带”是指行星距离恒星远近合适的区域，在这一区域内，恒星传递给行星的热量适中，既不会太热也不太冷，能够维持液态水的存在。但由于比邻星是一颗红矮星，能量输出不太稳定，经常有大的爆发现象，可能并不适合生命在其周围生存。

比邻星一直是人类设想的星际航行的首选目的地

2016年4月12日，著名的俄罗斯投资人尤里o米尔纳宣布了“突破摄星计划”。霍金还亲临现场为该计划站台助威。





“突破摄星”计划的光帆飞行器需要强劲的地面激光阵列供能


该计划设想在地面上建设激光阵列，然后利用激光产生的光压推动极薄、极轻的光帆高速前进，在200万千米的距离上完成加速过程，并使光帆的速度达到光速的20%！以这样的高速奔向离太阳系最近的比邻星所在的恒星系统仅需20年。

光帆携带一个厘米大小的芯片，小小的芯片上面集成有核电池、微处理器、导航系统、通信系统、以及高清相机等等，真可谓是“麻雀虽小，五脏俱全”，是一枚真正的探测器。为了节约加速能量，光帆和芯片的质量限制在克量级。光帆和微芯片的组合体可以成群地运行在地球轨道上，等待激光阵列的加速一个个奔向深空。

当然，这个激进的设想给当前人类的科技水平提出了很大的挑战！激光器的连续输出功率要求为100吉瓦（1亿千瓦），相当于五个三峡水电站的输出功率。这样强大的激光对光帆来说简直是噩梦，在承受极大光压的同时，还要承受极高的温度。抵达目标后，微芯片探测器想要把信息发回4.2光年之遥的地球并接收难度极大，因为芯片的发射功率实在有限。

宇宙中还真有流浪行星

从电影回到现实中，科学家还真发现宇宙中有流浪行星（Rogue planets），这样的行星不隶属于任何恒星。今年年初，清华大学毛淑德教授接受我们采访时就表示，可以利用“微引力透镜法”探测流浪行星。简单来说，微引力透镜是指当有未知天体经过背景恒星时，天体的时空弯曲效应就会突然增亮背景恒星的亮度。

流浪行星的形成有多种原因，质量较大的可能是像恒星那样独立形成的，例如有很多行星的质量已经逼近褐矮星的程度。有些可能是中央恒星发生超新星爆炸，行星被冲击到宇宙空间。

还有一些可能是在恒星系统形成的过程中，被其他行星的引力相互作用抛出去的。自从牛顿发现万有引力定律解释了行星运动以来，科学家就发现，由于恒星系统是多体相互作用，其实是一个混沌系统，长期来看运动是不可预测的，有一种可能就是某颗行星会被抛出太阳系。

还有一种更精彩的情况，当恒星被黑洞吞噬的时候，其携带的行星有可能被抛射出去，形成速度极快的流浪行星。

更脑洞的情况就是大刘描绘的被高等智慧生命驱动，在宇宙中寻找寻找合适家园的流浪行星。

电影中还有一些其他的科学细节，就不一一解析了。这部小说的成功主要还在于故事情节，太阳变成红巨星，人类带着世世代代生存的家园一起逃离，本身就是一件非常浪漫的事情。
                                           
                                                   

                           

                               
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