流浪 为了黑暗中的那束光

刘姝钰

“氦闪”这个词，最近伴随着《流浪地球》的大热，也走入普通大众的视野。充满科幻感的“氦闪”，在实际生活中真的会发生么？被大银幕用来描绘世界末日的“太阳膨胀直至吞没地球”，真的会出现么？答案是肯定的，只是真实发生的“太阳之死”，并不完全如科幻电影中所呈现的那样。

在电影的设定中，“流浪地球”其实是人类的一场全员逃跑计划。在流浪过程中，人类原本的生存环境变得极其恶劣，海水倒灌、超低温、冰天雪地等景象，让观众看得寒意陡升。与此同时，身处“地下城”的人们，再不能见到黑夜，见到星星，见到四季流转、自然壮阔。在地下城学校里上学的学生，他们身旁的墙壁上安装的只是一个电子屏窗户，模拟着外界的景象——而当灾难来临时，这块通往外界的窗户也“原形毕露”，成为了一个显示着残忍鲜红数字的倒计时器。

万物皆有终，太阳也不能避免

虽然太阳被称为“恒星”，但“恒”并不代表真正的永恒。超新星爆炸后在宇宙中留下了富含氢元素的残骸，一次“偶然”的引力不平衡让这些残骸物逐渐凝聚在一起，像滚雪球一样越来越大，成为一颗以氢元素为核心的发光等离子体，恒星由此诞生。对于太阳这样以燃烧氢为主的恒星而言，一旦核心的氢消耗殆尽，它的生命也就走向了晚年衰竭期。

引力除了吸引残骸物聚集在一起形成星体雏形，它在恒星的一生中还发挥着一个重要作用，就是能量转化。在引力持之以恒的拉扯下，聚集物不断向恒星的中心收缩，形成强大的引力势能，引力势能转换为热能，中心温度持续上升，当温度上升到一定程度时，就触发了核反应。太阳的能量来源，就是由氢聚变为氦的核聚变反应。在太阳中，四个氢原子核聚合在一起，通过一系列反应，聚变为一个氦原子核。而四个氢原子核的总质量（4.0291个原子质量单位）是大于一个氦原子核的（4.0015原子质量单位），那在聚变过程中，多出来的这部分质量去了哪里？根据著名的爱因斯坦方程式E=mc2（能量=质量×光速2），多出来的这部分原本微小的质量，在两次与光速的乘积中也变身为了巨大的能量。这些能量以“光”与“热”的形式普照于地球，滋养着万物生灵。

太阳的热核反应对于地球的生存如此重要，但这样的反应并不是“恒久远”的。热核反应每秒钟聚变氢产生的氦堆积在太阳内部，由于氦的分子量大于氢，太阳中心的密度逐步增大，内部核反应的速率也逐渐增加。总有一天，氢会消耗殆尽，太阳走向衰老，演化为“红巨星”。

为什么被称为“红巨星”？此时太阳中心区域的氢已基本燃尽，核聚变反应也随之终止，物质开始向中心塌缩，中心温度不断升高也带动外围升温，点燃了原本处于外围“安全地带”的氢气层，驱使太阳不断向外膨胀，半径甚至会达到现在的200倍左右，称之为“红巨星”实在名副其实。这时候的太阳就像贪婪的野兽，不断膨胀并不断吞没周围的行星，比如水星和金星。目前一些科学估算显示，在膨胀的同时，太阳的一部分质量也在流失，对地球的引力也在减弱，地球也许可以侥幸逃出这张血盆大口，避免电影中设定的“太阳膨胀直至吞没地球”，可是依然不能幸免于难——因为彼时太阳辐射出超过现在两倍的能量，足以将地球烤干。

总有一天，氢会消耗殆尽，太阳走向衰老，演化为“红巨星”。

除此之外，就是“氦闪”的发生，这会让地球更痛快地迎接死亡。不同于小说《流浪地球》中太阳先“氦闪”再变身“红巨星”的设定，实际上氦闪是发生于红巨星之后。太阳内部温度不断升高点燃聚集在这里的氦，发生氦变成碳的核反应。令人惊奇的是，氦被点燃的过程将非常迅速，相当于太阳质量40%的氦在短短几分钟内燃烧成碳，瞬间释放出太阳正常状态下持续百万年释放的能量，这种现象被科学家形象称之为“氦闪”。那一刻，“氦闪”带来的强大电磁辐射足以将地球表面融化，一切都会在弹指间灰飞烟灭。

走出电影，我们大可不必为太阳可能出现的将来担忧。太阳诞生至今约经历了50亿年，人家目前正处于发光发热的青壮年时期，根据科学家预测，太阳走向衰竭至少还需要50亿年。如果真要逃离太阳系，人類还有充足的准备时间。

发动机推动的，是人类不断进步之心

针对电影《流浪地球》，很多质疑集中在——地球真的能被发动机推起来么？

电影和小说中，都在地球上设定了一万台行星发动机去推动地球，每台行星发动机产生150亿吨的推力，将单位换作力学单位牛顿，大约是150亿亿牛顿。地球这个庞然大物，它的质量重达59万亿亿吨。根据牛顿第二运动定律F合=ma得知：a（加速度）= 150亿亿牛顿/59万亿亿吨。也就是说，一台行星发动机引起的地球加速度只有2.5×10-7m/s2，也许用0.00000025米∕秒2写出来会更为直观——用这样的加速度推动地球可以说是非常困难了，但并非不可能——用一万台行星发动机去乘这样的加速度，根据人类希望达到的0.5%光速的目标，飞到4.2光年外的比邻星，大概需要1000年的时间，和影片中的计划航行时间大致吻合。就科幻电影而言，这样的设定已经完成了推动地球前进的逻辑自洽。只是站在现实及科学层面，想要地球按照人类想要的轨道前进，并不是有了发动机就万事大吉。

首先要考虑的就是，拿什么喂饱这些发动机，让他们工作起来？影片中所畅想的答案就是“重元素聚变”，把石头扔进发动机里就能变成能量，听上去环保又方便。核聚变因其巨大的威力，被称为人类的“终极能源”，简而言之，就是两个较轻的原子核合并为一个较重的原子核时释放出巨大能量，这一过程即核聚变。而重元素聚变中的“重元素”，就是相对于“轻元素聚变”而言，氢以及氢的同位素之外的所有元素。在宇宙创生伊始只存在氢元素，宇宙大爆炸后比氢更重的元素如氦、锂等逐渐被合成，再重的元素就无法合成了。剩下百余种元素的合成，就要依托恒星了。恒星中心燃烧氢生成氦，燃烧氦生成碳、氧，以此类推，至铁元素终止。根据恒星演化理论，铁原子的聚合反应大概需要60亿度以上的高温，而只有几亿度的恒星内部无法让铁原子发生聚合反应。如果要在聚变中释放能量，所用的元素质量数应该要低于铁元素，也就是烧以硅、钙等元素为主的石头。依据宇宙中元素生成过程可以看出，硅、钙这类较重的元素发生核反应的条件非常苛刻，需要极高的温度和压强，相对今天的科学水平，这项技术完全可以说是天马行空。

另外，重元素在聚变过程中能量的转换效率也是很低的。想要依靠这些发动机推动地球（不考虑引力弹弓的情况），有人计算过，至少要烧掉大概五千亿亿吨石头，大约四分之三的地壳都要被挖去喂食发动机。看来，地球是要一边流浪一边减肥了。

除了“重元素”难关，这项技术另一个关键词就是“可控”，例如，如果想把能量巨大的氢弹作为燃料，科学家需要控制聚变反应的速率，才能将氢弹为己所用。而目前我们连轻元素聚变也无法随心所欲实现“可控”，更不要提重元素聚变这项“不可能任务”了。如果有一天，人类真的掌握了这项技术，那《流浪地球》也许也不再是“科幻”。

地球生命的出现，是太多偶然的合集。地球本身或许是脆弱的，但地球上的生命又是坚不可摧的。宇宙的活力和生机，正是来自于生命的不懈与拼搏。

飞离太阳系，还需要木星这块跳板

不同于小说，电影《流浪地球》的很大笔墨在于展示“流浪”途中，人类与木星之间的“地球争夺战”。“洛希极限”这个词，差点粉碎了地球。

洛希极限值最早由法国天文学家洛希计算出来。简单来讲，就是当两个天体之间的距离小于洛希极限时，较小天体会被较大天体的引力所撕裂。影片中，地球因为距离木星太近，在靠近木星的一端和远离木星的一端所感受到的木星引力是有差别的，这种差别我们称之为潮汐力。想象一下，距离木星越近，这种潮汐力将越大，“近木端”和“远木端”所感受到的巨大引力差像两只手撕扯着地球，当地球驶至洛希极限指出的临界位置时，就只能乖乖等待被撕碎的命运。在影片中，人们尝试了点燃木星上的氢来获得气体冲击波推走地球，考虑到木星上的氢气与地球上的氧气混合比例和时间均不达标，这样的点燃是不太可能发生的。

既然木星这么危险，为什么还要靠近它？因为，“越危险的地方越安全”，这里的“安全”，指的是帮助地球获得更多“力气”逃离太阳系。在太阳系所有行星中，木星一直坐在“老大哥”的位置，它的个头和质量最大，是其他行星质量总和的2.5倍。根据万有引力定律，引力与质量和空间距离有关，当距离固定时，地球在木星这里可以获得的引力最大，更利于运用“引力弹弓”进行加速。理解引力弹弓其实很简单，将地球看成系着一根绳子正在飞行的小球，当它飞过木星时，因为木星本身也在围绕太阳转动，而木星对地球的引力恰如拉住了这跟绳子并带着地球一起飞行，实际上相当于赋予了地球一部分速度。当地球从木星逃离出去时，就可以在本来速度基础上获得天体速度的叠加，“有如神助”获得加速，恰如“弹弓”一般。在现实生活中，引力弹弓已经被人类掌握并很好地应用于行星际探测器上。 2017年9月结束了“生命”的卡西尼号，相信很多人都不会陌生，卡西尼号就曾经利用金星、地球和木星的引力弹弓成功达到土星，并围绕土星运转达20年。

从木星成功获得“引力弹弓”的地球，并不能松一口气。因为从三维空间看，目的地比邻星与木星并不处于一个平面上，它们之间存在一定夹角，在上海科技馆天文馆指挥部专家施韡看来，地球在利用木星引力加速的同时，必须及时修正航向、调整自己的姿态，瞄准黄道平面下方约42.6°运行（未考虑比邻星自行）。而这个角度并不小，地球的流浪之路，看来真是道阻且长啊。

比较有意思的是，按照计划，“流浪地球”最终要到达的地方是半人马座比邻星。熟知刘慈欣另一部小说《三体》的书迷看到这里不会陌生——在《三体》中，因自身星球居住条件不好而想侵占地球的三体文明也恰好是在半人马座，半人马座的三颗恒星：比邻星、南门二、南门二B，构成了一个三体系统，正是小说中“三体文明”居住的地方。如果半人马座比邻星条件够硬，三体文明也就不至于长途跋涉企图移民到太阳系了。那为何在《流浪地球》中，会选中比邻星呢？原因很简单，在小说版本中也进行了解释，那就是“这是距我们最近的恒星”，恰如它的名字“比邻”一样。那么在半人马座中，是否真的有适宜人类的宜居之地呢？目前来看，答案是未知的。水、氧气、温度，一切都恰恰好，才孕育了地球上的无限生机。地球生命的出现，是太多偶然的合集。地球本身或许是脆弱的，但地球上的生命又是坚不可摧的。宇宙的活力和生机，正是来自于生命的不懈与拼搏。

虽然在现实中，带上“小破球”逃离太阳系的想法怎么看都是不可能的，但这又如何，这件事情本身已经足够浪漫，它冲破了一遇到世界末日就坐上宇宙飞船逃亡的既定故事框架，当观众在银幕中看到那一颗小小的星球在广袤无垠的宇宙中努力向前冲时，就已經足够震撼。而这，大概也正是科幻电影的美妙之处。（感谢上海科技馆天文馆指挥部施韡为本文提供科学指导。）