[科普中国]-流浪地球：物理规律不阻止推动地球，但比邻星并非理想家园

文/ 李然 国家天文台星云计划研究员在大众看来，科学家往往不是好的科幻电影观众，他们会太过注意影片中的科学细节，而不能享受故事的乐趣。但我要为此辩护一句，除去电影院，科学家有多少机会去观察一个未来的世界呢？更何况，只有优秀的科幻电影才会引人思考背后的科学问题，蹩脚的科幻电影不过是蹩脚的电影而已，而《流浪地球》毫无疑问是会引起科学工作者思考的有趣影片。在观看电影的过程中，我试着将自己当作一个“电影宇宙”的观察者，思考《流浪地球》宇宙观中的科学问题。下面我想和大家分享一下我对《流浪地球》中几个科学问题的思考。一、太阳的变化在电影《流浪地球》中，太阳亮度的增加是地球不得不背井离乡，远遁太空的原因，但现实世界中的太阳，真的会发生这样的变化吗？绝大多数人可能从未想过，有一天太阳会改变。在过去的46亿年里，太阳一直持续稳定地为地球提供能量。这种能量来自于太阳核心发生的氢元素聚变反应——每4个氢原子核通过一系列的中间反应最终形成1个氦原子核。而1个氦原子的质量略小于4个氢原子之和，这中间的质量差别按照爱因斯坦的质能方程E=mc2， 转化成了太阳的能量。这些能量中的绝大部分以光的形式发出，剩下的则由中微子携带。每一秒钟太阳会将六亿吨的氢原子转化为氦原子，产生的能量中有极其微小的一部分被地球接收到，供给地球上的生命所需。太阳自身有非常稳定的调节机制，保证光热的稳定输出：如果太阳内部的热核聚变反应因为某种原因略微加速，就会引起内部温度升高。这种升温会使得太阳整体微微地膨胀，从而使得核心温度和压力回复正常。对于太阳来说，这种调节在很短的时间里就可以完成。太阳自身发光的不稳定程度只有大约千分之一，造成的影响远远小于不同季节带来的差别。宇宙中相当多的恒星做不到像太阳这样稳定的调节，例如，我们熟知的猎户座第二亮星——参宿四就会因为不断地进行膨胀收缩，而在数百天时间里亮度变化超过2倍。在过去的40亿年里，太阳的整体亮度上升了大约20%。这种变化对于地球的生命演化产生了重要的影响，但是，在一个单一物种存续的时间（百万年到千万年）里，太阳的变化不会产生显著效应。如果太阳按照物理规律演化，那么在未来的10亿年里，太阳的能量输出将上升10%，这可能会引发地球上失控的温室效应。但这是非常长的时间尺度，在这之前人类自己引发的全球变暖就会造成严重的影响。在《流浪地球》的原著中，科学家观察到太阳核心的演化加速了，并且在地球逃离到木星附近时就已转变成为了一颗红巨星，完全吞噬了金星和水星。从天文学的角度来看，太阳确实会在未来的某个时刻开始向红巨星转化。这是因为太阳核心的氢元素在聚变燃烧后会转化为暂时无法聚变的氦元素，沉积在太阳中心，形成一个致密的核。当这个致密的核变大，原本在太阳核心发生的氢核聚变燃烧，就转变为在致密的氦核之外发生。这种转变会使得太阳失去稳定性调节机制，能量产出不断增加，并且体积开始膨胀，变得更红。天文学上称处于这个阶段的恒星为“红巨星”。在这种演化的末期，红巨星中心积累了足够高的温度，最终会使得氦构成的核心开始聚变，失控的氦核心燃烧会在数秒的短暂时间内释放出巨大的能量，这被称作“氦闪”。在原著中，太阳一直没有发生明显可见的变化，直到氦闪发生。地球之所以迫切需要逃离也是因为要躲避“氦闪”。但在实际的恒星演化图景中，氦闪仅仅是太阳在第一次红巨星演化的终点，早在氦闪发生之前，太阳就已经变成了非常巨大并且灼热的红巨星了。氦闪因为发生在太阳核心，实际上地球上的观察者也并不会看到像原著一样震撼的爆发现象。在电影版《流浪地球》中，太阳的变化已经不像原著中那样戏剧化，变得较为和缓。不过，请大家务必放心，天文学家目前对于太阳这样质量的单独恒星演化了解得相当清楚，无论从理论上还是观测上，都不支持太阳会在未来的数百年里发生电影中那样的变化。由人类自己造成的全球变暖问题可能才是现实中地球最大的危机。二、推进地球的动力在《流浪地球》的故事中，地球的旅途分为四个阶段。首先，通过转向引擎，使得地球停止自转；第二步，地球的推进引擎启动，地球开始脱离自身的轨道。因为推进引擎只能提供很小的加速度，地球在逃离太阳之前仍然会绕着太阳转很多圈，逐步地改变轨道的形状，从圆形轨道变成一个扁扁的椭圆轨道，最终逃离太阳的引力束缚，飞向太空；第三步，地球会用500年时间加速到光速的千分之五，也就是1500公里/秒的速度。地球会用这个速度滑行1300年；第四步，在接近目的地时，地球会用另一个500年减速，泊入新的太阳的轨道。这个新的太阳就是距离太阳最近的恒星——4.2光年之外的比邻星。整个过程持续大约2500年。牛顿第三定律告诉我们：如果你向后抛出一些东西，你就会获得向前运动的加速度。如果地球想要逃离太阳，它需要向前进的反方向抛弃自己一部分的质量。这些被抛弃的物质在被抛出时相对地球的速度越快，地球获得的前进加速度也越多。虽然流浪地球的最快速度只有光速的千分之五，但对于人类目前的技术能力，依然是一个艰巨的挑战。人类目前最快的宇宙飞船，旅行者1号当前的速度大约是17公里/秒。流浪地球的最终速度会是旅行者1号的90倍。考虑到《流浪地球》故事开始的年代距离今天不远，在人类已经进行概念设计的未来火箭能源中，最为可能在《流浪地球》时代实现的是核动力引擎。在第二次世界大战结束后不久，美国核物理学家乌拉姆曾提出一个大胆的飞船设想——利用原子弹产生的威力推进飞船前进。在这个蓝图中，太空飞船实际上是向后放出一系列氢弹，让它们在太空中爆炸。在此基础上，泰德·泰勒和弗里曼·戴森提出了著名的猎户座计划。只要带上一些原子弹，人类就可以很容易地将巨大的飞船送到火星。而之后由英国人提出的代达罗斯计划更加宏伟，以氢聚变为能量源，飞船可以在50年的时间里将人类送到临近的恒星——巴纳德。在代达罗斯计划的蓝图中，飞船将携带超过5万吨的氦3和氘作为燃料，将一个大约500吨的飞船送到另一颗恒星。考虑到地球上很难收集到如此多的氦3和氘，代达罗斯计划的设计者们实际上希望在月球或者木星上开采这些燃料。对于推进流浪地球来说，要想收集到足够推进整个地球的氦3和氘则更加困难。影片实际上提到流浪地球的推进引擎的能量来源是“重元素聚变”。是的，不仅仅是轻元素可以聚变，事实上，在恒星演化晚期，碳、氮、氧、硅等元素也可以通过核聚变转化为更重的元素，并释放能量。对地球来说，最好的燃料应该是氧和硅，它们加起来占了地壳质量的74%。所以在影片中，我们看到燃料采集车直接挖取山石。在影片的科学设定下，这些山石可能只需要简单的处理就可以作为引擎的核聚变燃料。在恒星内部，氧（16O）有多种聚变方式。最为常见的是两个氧原子核（16O ）聚变产生一个 硅原子核（28Si）和一个 氦原子核（4He）,同时产生9.6Mev 能量——大概相当于2个氧原子总质量的万分之三。相比之下，在太阳内部发生的由4个氢原子核聚变为一个氦原子的聚变反应生产能量的效率要高得多，可以将起始的氢原子的千分之七的质量转化为能量。当然，硅和氦也可以进一步地聚变，产生更多的能量，但总的来看，能量释放效率依然不及氢聚变的效率。如果我们假设氧聚变产生的所有能量，都用来加速产物中的硅, 使其直接喷射出去， 那么后者可以达到光速的3%左右。我们还记得流量地球最终需要达到光速的千分之五，简单地套用火箭公式来计算地球最终消耗掉的质量，我们会发现地球在加速过程中需要损失掉自己20%的质量。这对地球来说可不是一个小事，地球的结构会因此发生显著的变化。不过，通过更加合理地设计地球喷射引擎，用核聚变的能量来发电，并用电磁力驱动轻离子喷射，而非直接喷射核聚变产物，地球将可以把绝大多数的质量存留下来。不过，这仍然会永久地改变地球地壳中的元素构成。不过，不管怎么说，物理学基本定律尚未阻止人类带着地球脱离太阳系。星际旅行是科幻小说长盛不衰的母题，但常见的科幻设定都可以分为两类：上策是利用“虫洞”或者“空间折叠”来打破爱因斯坦的相对论限制，实现超越光速地旅行；下策是通过光速飞船来完成恒星间的迁徙。刘慈欣则独辟蹊径，将地球整体作为飞船。这可以最大限度的保存人类的生命，而且所依靠的技术并未太过超出物理现实。正是这种高配飞船加低配引擎的组合，制造出了电影中磅礴的场面和悲壮的故事。三、为什么要靠近木星《流浪地球》影片中，地球在靠近木星的过程中，被木星的引力捕获，产生了灾难性的后果。不过，为什么地球在逃亡的旅途上需要靠近木星呢？我想这主要是为了借助木星的引力弹弓效应来进行加速。下图是我从《漫步到宇宙尽头》中摘取的一个示例图。在开始的时候，飞船以速度v飞向行星，在行星的引力作用下，飞船的飞行方向完全改变，速度增加了2U。这很像是迎着火车前进的方向扔一个棒球，在碰撞后，棒球完全被反弹回来，并且从火车身上获得了新的动能。在引力弹弓变轨过程中，行星将动能传递给了飞船，并且改变了飞船的速度方向。引力弹弓效应早在上世纪七八十年代，就被广泛地引用于太阳系的深空探测。这其中最为著名的当属旅行者号的“伟大航路(grand tour)”。在1980年前后，木星、土星、天王星和海王星形成一个比较独特的排列：它们都会运行到太阳系的同一侧。这种175年一遇的特殊行星排列，给了旅行者号多次借助行星引力弹弓效应的机会。旅行者1号和2号得以一次访问太阳系的好几颗行星，并且可以达到很高的航速，飞出太阳系。流浪地球计划毫无疑问也是想要借助木星的引力弹弓效应来加快速度。不过，和旅行者号不同，流浪地球有相当强劲的核动力引擎。借助木星的引力弹弓效应，流浪地球可以获得10km/s左右的加速，这相比于流浪地球最终1500km/s的航速微不足道。虽然，借助木星的引力弹弓，地球可以省几年的航行时间，但考虑到总的流浪旅途长达2500年，这种风险似乎并不值得。地球也许不需要靠木星那么近，完全可以借助木星进行一个比较温和的引力加速。事实上只要和木星距离拉开到30倍的月地距离，木星在地球上产生的潮汐效应，就和月球对地球的潮汐效应差不多了。在影片中，地球之所以被木星捕获，是因为木星突然出现了“引力增幅”。需要指出，对于现实物理世界来说，一个天体的引力，完全由其质量决定，不会出现突然的增加。所以，对于今天的深空探测来说，计算飞船的轨道并不算是难事。除了最初的几次实验，人类飞行器在历史上几乎没有在借助行星引力加速时出现过重大失误。四、点燃木星在影片的高潮阶段，地球落向木星。主人公突然想到：木星大气主要是由氢气组成的，而地球大气则包含20%的氧气。为了使地球脱离木星的引力，救援队点燃了木星和地球大气的混合气体，产生了巨大的冲击波，将地球推离了木星。这个桥段大概是让我最觉得“感觉不太对”的地方了。氢和氧气混合爆燃，其本质上仍然是化学燃烧。如果说氧的聚变反应可以将氧的质量的万分之三转化为能量。那么氢和氧的化学燃烧过程，只可以将这些燃料质量的百亿分之一转化为能量。而地球上大气层里所有的氧气占地球总质量不过千万分之二。即使地球上所有的氧气都已经和木星混合，并且充分燃烧，其燃烧产生的能量完全用于加速地球，地球也只会获得微小的加速度。此外，我们很难期待发生在木星表面的爆炸冲击波有非常精确的指向性，恰好能将能量聚焦在远在数千公里之外的地球身上。乐观估计，也许只有百分之几的能量可以用于加速地球。这一点点的推力，是否恰好可以将地球推离木星的引力陷阱呢？在现实世界里，我持非常悲观的态度。但也许“无巧不成书”才是构成传奇的基础吧。五、比邻星是否是合适的家园流浪地球的目的地是比邻星。比邻星是距离地球最近的恒星，但很难说它是一个理想的新家园。最大的问题在于：比邻星过于暗淡，只有太阳质量的十分之一，勉强达到核心发生核聚变的标准。这样的恒星会展现出很大的不稳定性，表现在高频率的恒星耀斑爆发。太阳也会有耀斑爆发，在很短的时间里向宇宙空间释放大量能量，并且伴以大量的物质抛射。在耀斑强烈的时候，地球上的无线电通讯会受到其干扰，但不会对人类生活造成太大的影响。但在比邻星轨道，这种耀斑爆发有可能造成灾难性后果。这是因为比邻星太过暗淡，地球如果要想充分接收比邻星的能量，让冰冻的海洋融化，需要非常靠近比邻星，其轨道距离只有目前日地距离的1/20。一旦耀斑爆发，地球因为距离更近，也将受到更大的影响。在2018年，科学家观察到了比邻星一次超级耀斑爆发，从地球上观察，比邻星在耀斑爆发时亮度比起平时增加了68倍。地球如果泊入这样的恒星轨道，在耀斑爆发时，地球生态圈可能受到毁灭性打击。另外，比邻星处于一个三合星系统。和比邻星相邻的两颗恒星倒是和太阳很类似，但是它们之间的距离非常近。如果地球进入任何一颗恒星的轨道，难免不受到另一颗恒星的引力影响，很难处于稳定状态。这样看来，比邻星也许只能作为流浪地球的一个中途补给站。地球可以在这里获得燃料补充，但无法将这里当做久居之地。在太阳临近的5秒差距（大约16光年）内有52颗恒星，这些恒星都可以作为流浪地球最终的备选之地。例如，距离太阳12光年的Tau Ceti也许就是一个不错的选择，其亮度大概是太阳的一半，而且看起来非常稳定。这颗恒星目前已经被发现拥有5颗行星，其中一颗甚至可能有适宜的温度，可以支持液态水存在。我真切地希望，在流浪地球的旅途中，联合政府不要忘记资助天文学家的工作，他们的研究一定会为地球最终家园的选择提供可靠的资料。作者 | 李然 国家天文台星云计划研究员编辑 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”