浅谈《流浪地球》的科学知识

陈柯宇

摘要：本文立足于《流浪地球》电影，通过自然科学的视角，对《流浪地球》的相关情节进行简单解释，加深观众对电影的理解，感受科学的魅力，对未来世界充满期盼。

关键词：流浪地球;科学知识;刘慈欣;三体;科幻电影

电影《流浪地球》在中国引发了一股热潮，实现了票房口碑双丰收，上映20天内在中国大陆票房超越了《红海行动》、《美人鱼》、《我不是药神》等著名电影，目前仅次于《战狼》。

我想这种热情很大程度上源于人们对外太空探索的渴望以及电影自身精致的特效。但电影里面的部分情节需要以一些科学原理作为基础才能理解。因此，我希望以下的探讨能进一步加深观众对科学的认知和对电影情节的理解。

一、太阳的一生与氦闪

电影背景是太阳将发生氦闪吞噬地球，很多人认为这只是科幻，事实上，这是很多恒星演化的必经之路。

行星最初是由温度不是很高的弥散星云开始收缩。随着星云积累，温度升高，当恒星中心温度到达8×106℃时，可点燃恒星开始氢聚变的过程。用核反应方程式表示为：

其中γ表示释放出的光和热。

恒星会因为自身质量的不同燃烧的时间长短也不同。通常情况下，质量越大的恒星燃烧的时间越短，其中太阳可以燃烧100亿年。这段时间的恒星叫做主序星。主序星期间，恒星拥有负反馈调节机制以保持稳定——恒星燃烧过快升温膨胀，膨胀又可以使恒星降温收缩。宇宙中很多变星的机制都如此。

随着反应的不断进行，太阳内部的氢被消耗，但太阳会更亮，其原因是太阳核心（氦称为主要成分）在重力的作用下向内核坍塌，重力势能转化成了热能，进一步加剧了核聚变的速度。随着温度升高，太阳内部辐射推力会逐渐大于太阳自身的重力，从而太阳不断膨胀，外层温度会逐渐降低。在此过程中，太阳表面的温度在缓慢降低，但由于体积不断增大，其亮度会在100亿年内不断增大。

大约在未来54亿年后，太阳表面的温度降到4700℃（现在5770℃）。太阳也进入了红巨星阶段，电影里面的背景——氦闪就发生在这一阶段。此时由于外部氢聚变产生的氦收缩坍塌升温，达到了氦聚变为碳的临界温度。在几分钟内，相当于太阳质量40%的氦被聚变为碳，释放的能量大致相当于太阳在当前状态下持续数百万年所释放的能量，同时将地球融化吞噬。如果人类能活到太阳发生氦闪的那天，为了生存不得不逃离太阳系。这之后，太阳逐渐冷却进入白矮星阶段，再经过数十亿年燃料耗尽，进入黑矮星阶段。

二、比邻星三体系统与宜居行星搜寻

电影里面是要把地球流浪到比邻星，《三体》这部小说里也是以比邻星三体系统开展的。比邻星三体系统究竟是什么样的？它适合生命生存吗？

2016年8月24日，欧南台宣布在比鄰星宜居带内发现了一颗行星，初步猜测有生命存在的可能。那么三体世界真的会存在吗？地球真的可以流浪到比邻星吗？可惜的是，后期观测表面，比邻星并不是一颗友好的恒星。2018年，科学家观察到比邻星耀斑爆发比平时亮了68倍，发射出了超强的紫外线和X射线。地球如果进入这样的恒星轨道，在耀斑爆发时，地球生态圈会受到毁灭性的打击。而剩下两颗南门二A和南门二B，光谱虽然适合，恒星活动也比较稳定，但由于两者最近时只有11.2天文单位，地球难以形成稳定轨道，也不是合适的目的地。在太阳系方圆20光年内一共有124颗恒星，综合分析只有鲸鱼座的天仓五相对适合作为目的地，其亮度为太阳亮度的0.783倍，表面温度为5344K。

三、重聚变

整个电影里面反复提到火石这一东西，以及说到挖山进行钟聚变，那么究竟什么是重聚变呢？其实重聚变就是核聚变的一种。我们都知道核聚变是通过一定条件下轻原子核结合成较重原子核通过亏损质量释放出巨大能量的过程，其释放的能量可用质能方程E=mc2计算。我们所熟知的核聚变方程是但事实上，核聚变还有很多种。正如恒星燃烧那样，氢聚变的产物氦在一定温度下还能继续聚变为碳，碳还可以继续聚变为氧，依次下去，直到铁元素为止。地壳中最主要的元素是氧和硅，因此电影中提到的通过挖山进行重聚变应该就是这两个元素的核聚变。就现在而言，无论是重聚变或者是最简单的氢聚变，人类都还无法控制。主要原因是核聚变所需温度都在数百万甚至上千万摄氏度，这是人类科技发展遇到的一个瓶颈，但愿人类能够早日突破。

四、将地球推出太阳系的正确方式探讨及能量计算

为了便于集中力量把地球推出太阳系，影片里面采用的是停止地球自转而后通过行星推进器让地球达到第三宇宙速度。但地球停止自转就像蝴蝶效应一样会给人类带来意想不到的灾害。

（一）停止自转过程中

由于赤道转向发动机只能安装在陆地上，而每个大陆板块的陆地面积并不相同，因此各个大陆板块受力不均，引发地震。如图1，太平洋板块上几乎无法安装赤道转向发动机，而印度洋板块、美洲板块都有制动装置，这就意味着板块间必然会发生挤压碰撞。此外，由于惯性的存在，地球在自转减慢的过程中海水大量向东涌动，从而引发海啸。电影里面所提到的海啸应该就是在这一阶段发生。

（二）停止自转后

如果你以为熬过了停止自转时发生的灾难就皆大欢喜，那可就大错特错了。地球停止自转后的危害你无法想象。首先，由于地球只有一个面对向太阳，地球表面的温差会不断拉大，昼半球和夜半球强大的对流会给人类带来巨大的灾害，地球上适合人类居住的地方将会减少。此外，就目前人类对磁场的研究，地球磁场是由地球液态外核自转产生的。而一旦地球停止自转，地球的磁场很有可能会减弱甚至消失，那样的话地球会直接迎来宇宙射线的辐射，从而失去大气层，变得像火星一样荒凉。

（三）停止自转所需能量

根据转动惯量的相关公式，在不考虑大气层和海水摩擦的情况下，停止地球自转需要消耗5.75×1029J能量，相当于现在人类6.25×109年的发电量。其实这还不是关键，绝大部分能量会消耗在给地球加速和减速的过程中。根据电影里面所说的千分之五光速，以及克服太阳引力，一共需要消耗6.713273×1036J的能量，相当于2017年全球发电量的7.3×1016倍。因此，就最近几百年甚至几千年内，人类是不太可能有能力实现电影里的流浪地球计划。

不过就停止自转这个问题而言，我觉得电影中的方式不可取。即使人类以后达到了一定的科学技术水平，但把这么多能量浪费在停止地球自转上毫无意义，并且停止地球自转带来的危害很大。在我看来，我们可以合理利用月球。电影里面对月球只字未提，原著里面对月球的描述是为月球安装了发动机将其推离地球。如果真是原著的做法，我觉得并不妥。首先，月球对地球影响很大，月球可以稳定地球倾斜角，不至于杂乱无章的摆动。在太阳系边沿奥尔特云区域存在大量的彗星陨石，月球还可起保护伞的作用。此外，既然月球上安装了发动机，我们可以进行再次利用。科学研究表面，月球上含有大量氦3，可以作为核聚变燃料。因此，我们可以以月球为引擎拉动地球，这样地球也不需要停止自转，节约更多的资源。不过，人类一定要控制好地月之间的相对速度与相对距离，一旦不慎就有可能发生地月相撞的惨剧。

五、旋转的太空站

仔细看了电影的人都会知道，太空站一直在旋转，如图2。在电影《星际穿越》里也有相似的画面。太空站一直旋转有什么用呢？里面的宇航员难道不会晕吗？其实这个原理很简单，说白了就是通过旋转产生向心加速度来代替地球上的重力加速度。由于人类身体各个部位都是安装地球上的重力加速度进化而来的，长期失重会导致宇航员身体各种机能下降，因此不得不保持重力的环境。那么宇航员会晕吗？只要不一直看着窗外就不会晕。我们晕车晕船晕机，本质上来讲就是变化的加速度刺激了内耳的前庭器，让人失去了平衡。但在这样稳定旋转的太空站中，人类受到加速度大小和方向都是恒定的，所以并不会感到晕。事实上，此项技术已经付诸于实践，为了防止失重环境给身体带来的巨大危害，部分宇宙飞船、空间站都配备有旋转装置。

六、引力弹弓

电影中，地球之所以要靠近木星，归根结底就是要利用木星的引力为地球加速，也就是所说的引力弹弓。那么究竟什么是引力弹弓呢？在没有外界能量提供的情况下怎么可能实现加速呢？这不就违背了能量守恒定理？

我们都知道，航天器在绕着某一天体飞行时，无论它是圆锥曲线中的哪一种轨道，左右都是相互对称的，动能和势能的变化刚好相反，那么能量究竟从何而来呢？固然，在只考虑微观系统时，飞行器确实无法提速，但是考虑在整个太阳系中，飞行器就获得了行星公转的速度。如图3，航天器本来的速度为vin，通过矢量三角形法则我们可以将其分解为平行于木星公转方向的速度和垂直于木星公转方向的速度。由于航天器受到木星的引力，垂直于木星公转方向的速度发生偏转，平行于木星公转方向的速度不变，这样使得木星的公转速度部分叠加在了飞行器上，使其速度由vin变为了vout，从而实现了引力弹弓的加速。简单来说，就是图4的原理，地球相对于木星本来的速度是向右的v，但通过绕木星公转后就成了2u+v，從而实现了加速。在绝对理想的情况下，引力弹弓可以把木星公转的两倍速度叠加在航天器上，也就是26kms。相比于千分之五的光速还是微乎其微，但确实能够节省很大一部分能量。这也正是电影中地球利用木星引力加速的原因。

事实上，人类在对宇宙的探索中，早就用到引力弹弓这一原理。曾经发射的旅行者2号飞船，经过了木星、土星、天王星、海王星的引力弹弓进行加速，没用多少燃料就逃离了太阳系。当然，引力弹弓也可以用来减速。2014年的科幻大片《星际穿越》里面就提到过主人公库伯为了飞往埃德蒙兹，借助黑洞的引力弹弓进行减速。

七、洛希极限

在电影里面反复提到一旦地球进入了洛希极限就会发生不可逆转的解体，这也是人类进行饱和式救援的原因。那么究竟什么是洛希极限呢？

要想了解洛希极限，就必须先知道引潮力的问题。引潮力指月球和太阳对地球上单位质量的物体的引力和地球绕地月公共质心旋转时所产生的惯性离心力组成的合力。简单点来说，拿月球和地球举例，由于面向月球的一面和背对月球的一面受到的万有引力不同，再加上自转的影响，最终产生了引潮力。值得注意的是，引潮力公式为F=GMmrR3。其中M，m分别地球、月球的质量，r表示地球半径，R表示地月质心的距离，G表示引力常量。

可以看到，由于引潮力的存在，地球两端略有变形，如图5。地球内部具有抗压能力，所以不会解体。但一旦把月球换成木星，并且距离很近时，如图6，引潮力会增大到地球自身无法承受，这个临界距离叫做洛希极限。其中刚体洛希极限公式为：d≈2.423R（ρMρm）13，流体洛希极限公式为：d≈1.26R（ρMρm）13，其中ρM指中心天体的密度，ρm指环绕天体的密度，R指环绕天体的半径。由于地球的密度并不是均匀的，不能直接带入计算。考虑到一旦地壳发生解体，人类将无法生存。于是将地壳的密度2.7gcm3带入计算，而木星的密度为1.326gcm3，则地球地壳解体的洛希极限d≈6.959×107m，即接近7万公里处地壳就会发生解体。并不是电影里面所说的89万公里到171万公里，也不是各类网站上讨论的5.6万公里。因为地球密度并不均匀，地壳密度最小，半径也最大，最容易受到引潮力的影响，因此最先解体。而一旦地壳解体，人类也不复存在。至于地球大气，考虑到地球海平面大气平均密度为1.275kgm3，因此地球大气层被木星彻底抽空的洛希极限d≈1.718×109m，即大概在172万公里处。但事实上，由于地球高层大气稀薄，密度远远没有地球表面高，理论上讲在1.764×1016m（17.64万亿公里）处地球顶层大气就开始受到木星引力的影响了。

八、木星引力剧增的猜想

通常情况下，人类是能够熟练运用引力弹弓为航天器加速。电影里面对此的解释比较含糊。按道理来说，根据万有引力公式F=GMmR2可知，在距离不变的情况下两天体的万有引力不会发生变化，人类可以很精确的计算出相应的轨道。但事实上，人类目前所使用过的引力弹弓都只是质量可以忽略的航天器，电影里面却是地球。由于木星是气态行星，自身内部极不稳定，地球的突然到来产生的引潮力足以改变木星内部的大气分布。如果木星内部的气流本来就有些混乱，这样导致木星密度不均，质心向地球靠近，这样就会导致木星对地球的引力剧增。但究竟是怎么回事，我们都无法做出完美的解释，也许是人类还未研究到的领域，也许只是电影的情节设置而已。

九、引爆木星的原理及产生的动能

电影后半部分基本上都围绕着引爆木星这一情节展开，那么究竟怎样才能引爆木星？引爆木星后对地球又有什么影响？

要想探讨这个问题，必须明白木星为什么会被引爆，这涉及到爆炸极限的问题。可燃物质（可燃气体、蒸气和粉尘）与空气（或氧气）必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限。。而氢气的爆炸极限是4.0%～75.0%，范围较广，因此利用氢气这一特性点燃木星引发爆炸，也许是一种解决方法。不过，地球上一共只有3.70×1019mol氧气，氢气的燃烧热为285.8KJmol，因此最多释放出2.11492×1025J能量，就算这些能量全部转化为地球的动能，地球的速度也不过只增加了2.67ms，更何况爆炸的能量波是向四面八方扩散的，真实的利用率很低。所以，如果地球真的遇到了那样的情况，点燃木星的方法就像电影里面moss说的成功率几乎为零，反而毁灭了人类的火种。不过，这毕竟是电影而不是科学纪实，从电影的角度上讲这样设置还是很成功的。

十、2500年后的人类

假定我们一切顺利，地球进入了合适的轨道，前往比邻星。那么，在这漫长的2500年后人类会怎样呢？

要想度过这漫长的2500年，人的基本生活物质必须要保证。那就是水、食物、适宜的空气。而事实上就现在而言，人类目前并没有实力建造出一个完全脱离地球环境的密闭生态系统。三十年前修建的生物圈2号由于氧气和二氧化碳无法正常循环最终导致失败就是一个很明显的例子。当然，人类在什么时候有能力建造一个完全密闭的生态系统？谁都不知道。

假设人类在地下城内度过了漫长的2500年，人类会是什么样？根据现代生物进化论我们可以猜测，2500年后的人类会出现以下特征：毛发变少（地下城恒温无需保暖）、皮肤变白（地下城无紫外线）、牙齿变小（食品越来越软化）、眼睛变大（地下城光照弱于太阳光）、半机械化（科学技术产品替代人类很多工作）。

十一、流浪地球可行性

通过前面大量数据分析表面，人类现在还不具备流浪地球的能力。那么人类什么时候才能实现呢？根据卡尔达舍夫等级我们可以衡量一个文明所具备的综合实力。

Ⅰ级文明：也叫母星文明，可利用本星球所有资源，可以完全掌控他们星球上的一切可利用资源，以及一切事物。其毁灭的方式有小行星或彗星撞击、人工智能危机、太阳活动聚变爆发、临近超新星爆炸等。

Ⅱ级文明：也叫行星系文明。以人类为例，如果人类达到了Ⅱ级文明，就可充分利用太阳所发出的所有能量。若Ⅱ级文明附近出现了超新星爆发，他们可以将他们的星系转移至远离爆发的恒星（类似于流浪地球）。

Ⅲ级文明：也叫恒星系文明。同样以人类为例，如果人类达到了Ⅲ级文明，我们就不会局限于太阳系，而是所在的整个银河系。我们可利用星系内所有恒星的能量。这类文明目前已经超出了我们的想象。

人类目前的文明等级只有0.73。要想达到Ⅰ级文明也许还有数千年的道路要走。而根据卡尔达舍夫等级我们可以看到，几乎要达到Ⅱ级文明，太阳活动聚变才不能对其产生威胁，也就是说，只有Ⅱ级及以上的文明才有能力实现流浪地球，而如果人类在达到Ⅱ级文明之前遭遇了太阳爆发这场灾难，恐怕只有灭绝。

虽然电影里面所设置的2075年人类无法实现流浪地球，但在20750年，或者是更遥遠的未来，人类在面临太阳爆发或者其他灾难时，流浪地球这一计划可能成为现实。此外，科幻片并不是科学纪实，而是给我们带来更多的幻想，让年轻人心中埋下科学的种子，将来投身科学事业;让年长的人在余生中保持对科学的好奇心，在日常生活中更多应用科学原理。

参考文献：

[1]刘学富主编.基础天文学.北京：高等教育出版社，2004.

[2]向守平主编.天体物理概论.安徽：中国科学技术大学出版社，2008.

[3]KipT.TheScienceofINTERSTELLAR.浙江人民出版社，2015.

[4]苏宜主编.天文学新概论.北京：科学出版社，2009.

[5]张三慧主编.大学物理学.北京：清华大学出版社，2009.