《流浪地球》中的科学：太阳何时吞并地球？科学家们已经给出时间表

科普中国-科普融合创作与传播 2019-02-18

　　出品：科普中国

　　制作：哈尔滨工业大学（深圳）李会超

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　经历了漫长的时光后，太阳终于走到了生命的尽头。它的光芒开始增强，它的体积开始膨胀，表面逐渐接近原本距离太阳表面1亿5千万公里的地球轨道，并将它吞没。这恐怖的场景并非杞人忧天的妄想，也不是科幻小说为了故事情节而编造的桥段，而是根据我们所认识的物理规律和观测到的漫天星辰所得到的严谨的科学结论。在未来某天，这件事确定会发生。

　　那么，我们是不是该准备跑路，准备“流浪地球”了？不，请先等等。现在就流浪，未免有点早。这件事，咱们还得从头说起。

　　太阳产生能量的方式

　　1945年，美国相继向日本投下了两颗原子弹，彻底驯服了法西斯野兽。美国白宫在事后发表的声明中义正言辞的说，原子弹将“太阳释放能量的力量降临到把战争带给远东的人”。

　　从感情上讲，这句话给终结二次世界大战的这次轰炸增添了几分替天行道的意味，再合适不过了。但从科学上讲，这句话存在些许的偏差。和广岛长崎的原子弹一样，太阳释放能量依靠的也是核反应。然而，原子弹使用的是重元素的核裂变，既一个分子量较高的元素通过链式反应，裂变成分子量较小的元素。说简单一些，就是一个大原子核裂变成几个小原子核。而太阳则走了一条方向相反的技术路线。太阳使用核聚变，将分子量为1的氢原子核（实质上就是一个质子），经过3步中间过程，聚变成分子量为4的氦原子核。无论是核裂变的大核变小核，还是核聚变的小核变大核，物质在核反应后的总质量均小于核反应之前，而损失的质量则转化成了原子弹爆炸或者太阳发光发热的能量，其基本原理可以用我们耳熟能详的爱因斯坦质能方程E=mc^2来描述。

　　（太阳进行核聚变的三步链式反应。图片来源wikipedia。）

　　前不久，我们沉痛的送别了我国氢弹事业的开创者于敏院士。氢弹利用了和太阳相同的核聚变原理，能够产生更大的爆炸威力。氢弹一旦投放出去，就会在短时间内将自己的能量全部释放出来，是一种不可控的核聚变装置。为了利用这种效率极高又清洁无污染的能量产生方式服务我们的生产与生活，科学家们一直致力于可控核聚变装置的研究，使核聚变一段时间内持续稳定的向外输出能量。例如，托卡马克是一种比较有前景的可控核聚变装置，它的外形像一个放倒的轮胎，利用磁场束缚住注入其中的带电粒子，使他们能够按照人们的控制进行核聚变反应。遗憾的是，虽然各个国家都已经投入的大量的资源，也建立了ITER等国际合作计划，但托卡马克目前仍然处在原理试验阶段，其中核反应所释放的能量能够将核反应本身维持一百多秒已属不易，并不能够额外输出能量，距离实用化尚有很长一段距离。

　　（托卡马克又被称为“人造太阳”。图为中科院部署在合肥的先进实验超导托卡马克（EAST）图片来源：中科院等离子体物理所科普园地）

　　而太阳，则已经稳定的进行了约46亿年的可控核反应，持续不断的用光和热哺育整个太阳系。

　　那么，控制太阳不变成一颗氢弹力量来自于哪呢？

（国际空间站上看到的太阳照耀下的地球。图片来源NASA）

　　它们之间的平衡，使太阳没有成为一颗氢弹

　　其实，这种力量就是我们最熟悉的重力，让牛顿的苹果落到地面的重力。

　　从感觉上，司空见惯的重力似乎很难和毁天灭地的核反应相匹敌。但量变会引起质变，聚合成质量相当于33万个地球的太阳的物质所产生的重力，已经足以控制住核反应。事实上，可以说是重力与核反应之间的相互作用主宰了太阳的生命印记。

　　（美丽的猎户座星云，正在通过聚集物质的方式孕育新的恒星。图片来源：NASA）

　　太阳这样的恒星形成于原始星云，在自身重力的作用下，组成原始星云的物质不断向一起聚集收缩，密度和压强不断增大。人类制造的核聚变装置中，无论是不可控的氢弹还是可控的托卡马克，像启动汽车发动机一样使核聚变开始，是一件相当困难的事情。进行核聚变的带正电荷的原子核间存在静电斥力，这种斥力像一座大山一样，横亘在核聚变发生的道路上。要触发核聚变，就必须先有足够的能量克服静电斥力，翻过这座大山，让发生聚变的原子核足够接近。在引爆氢弹时，触发核聚变发生，靠的是先行引爆的一颗小型核裂变原子弹所产生的温度和压强。对于托卡马克，这种“大力出奇迹”的点燃手段显然不适用，则需要采取欧姆加热和其他辅助加热手段共用的方式来让核聚变开始。

　　在太阳这样的恒星形成时，点燃核聚变靠的仅仅是重力的挤压。由于物质本身的压强产生的向外膨胀的力，不足以抵御驱动物质向内收缩的重力，星云中物质一边聚集一边向内收缩的过程可以不断持续下去，中心的密度和压强持续增高，迫使氢原子核相互接近，进而触发了核聚变反应开始。同时，恒星中聚集的质量又决定了核反应的速率。质量越大的恒星，中心会受到更大的重力压迫，产生更高的压强，使更多的氢原子核相互接近，核反应的速率也就更高。

　　当太阳已经是一颗成熟的恒星后，核反应的速率与恒星物质的重力达到了一种简洁又精巧的平衡。如果太阳从平衡态向外膨胀，中心受到的挤压减小，核反应的速率将会降低，产生的能量将会减少，恒星中心的温度将会降低。这样，恒星中心向外膨胀的力无法支撑恒星向中心收缩的重力，膨胀过程无法持续。反过来说，如果太阳向中间收缩，将会使核反应加速，产生更大的向外膨胀的力，收缩过程同样无法持续。总之，一旦步入壮年，太阳想向外扩张时后劲不足，想向里收缩时又会受到很大的抵触，因此只能稳定在一个相对固定的个头上。

（使恒星向内坍缩的重力与使恒星向外膨胀的核聚变反应在主序恒星阶段达到平衡。原始图片来源：http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/olson1/）

　　这种精巧的平衡并非我们太阳的专利，而是放之宇宙而皆准的一个基本原理。科学家们通过长期的观测积累后，发现处于壮年的恒星几乎都处在这样一种稳定的状态中。科学家们把处于这些状态的恒星称之为“主序恒星”。对于这些恒星来说，确切的平衡点位置与恒星的总质量有关。质量较大的恒星，平衡状态下的核反应速率要高于质量较小的恒星。

　　太阳的终结与地球的流浪

　　如同人有生老病死一样，上文所说的这种平衡并不能天长地久，总有终结的一天。与人从衰老走向死亡的过程所不同的是，太阳生命终结的过程是丰富的、绚烂的、激烈的，在经历一系列膨胀、爆炸与脉动后，最终归于沉寂。

　　而在这一切开始之前，人类就得想办法赶紧开始上路，成为流浪地球了。因为太阳这个天空中的大炉子，随着时间的增长会越烧越旺。当煤炉中的煤燃尽时，我们会想办法将灰烬请出再加入新煤保持炉火继续燃烧。然而，对于太阳这样的恒星，没有外部的力量为它完成这个过程。核反应消耗氢、形成氦，而产生的氦就堆积在恒星内部。由于氦的分子数要大于氢，因此恒星内部的密度将会随着恒星年龄的增加而增大，内部核反应的速率也会逐渐增加。研究计算表明，目前太阳的核反应速率大概比太阳刚成为主序恒星时大30%，而在55亿年后（这个数字具体多大不同学者可能会有不同的结论，但总体上都是几十亿年的数量级），不断加快的太阳核反应速率使得当时太阳辐射出的能量约已经是现在的2倍。在如此剧烈的辐射照耀下，地球表面的温度将超过3百多摄氏度，海洋和湖泊中的液态水早已被汽化。以我们现在的认识（谁也说不好几十亿年中人这种生物将会发生怎样的进化），在这种环境下包括人类在内的生物体都是无法生存的。除非当时的人们研发出了能够遮挡太阳剧烈辐射的装置，否则就不得不踏上流浪之旅了。此时，虽然地球已经成为一个无法为人类生存的世界，但此时的太阳还仍旧处于主序恒星状态。

　　（艺术家想象的从地球上看到的红巨星状态的太阳。图片来源https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/r/Red_giant.htm）

　　1.红巨星

　　而再往后，太阳中心区的氢燃烧殆尽，停止了氢聚变成氦的热核反应，变成了一个氦核。由于没有的核反应对抗重力，恒星中心附近的物质开始向核心挤压，不断增高核心的温度。距离核心较远的一些残存的氢在核心释放的高温作用下被点燃，驱动的太阳的外层不断向外膨胀，相继吞并水星与金星的轨道，并有可能吞没地球的轨道。此时的太阳已经退出了主序恒星的队伍，变成了一颗红巨星。（红巨星是恒星燃烧到后期所经历的一个不稳定阶段）

　　（能够吞并地球轨道的红巨星太阳，左下角的小黄点是太阳现在的大小。图片来源wikipedia。）

　　2.脉动变星

　　接着，太阳进入了“内外两开花”的状态。除了外部的氢壳继续发生核聚变反应外，内核残存的氦在不断增大的温度作用下被“点燃”，发生了由氦剧变成碳的核反应。相比于最少都是以百万年为时间单位所衡量的恒星演化过程，氦被点燃的时间短的让人惊叹。在数分钟的时间内，相当于太阳质量40%的氦被剧烈的“燃烧”成碳，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。这种现象被科学家们称之为“氦闪”。之后，太阳在继续燃烧氦的同时，自身已经无法回到平衡的状态，不断的进行膨胀与收缩的交替，称为一颗脉动变星。（脉动变星，是指由脉动引起亮度变化的恒星，数量约有200万个）

　　（正在发生氦闪现象的一颗白矮星。图片来源Wikipedia）

　　当氦也再次燃尽时，太阳的生命也就走到了尽头。太阳核心的物质将塌缩成一颗密度极高的白矮星，而外层物质则会向扩张，形成行星状星云。白矮星的密度极高，一立方厘米的白矮星的质就足够有一吨了。

　　（属于行星星云范畴的猫眼星云。图片来源Wikipedia）

　　3.地球的命运

　　那么地球的命运会怎么样呢？在红巨星的演化过程中，吞并地球的轨道是大概率事件。之前有学者认为，由于太阳释放的能量都是质量转化来的，由于太阳总质量会随着核反应的进行而减少，地球受到的引力会相应的减小，地球会自发的向远离太阳的方向运动。然而，2008年发表在《皇家天文学会月刊》(MNRAS)的一项研究却发现潮汐力会迟滞地球远离太阳的脚步，否定了地球这样逃出升天的可能。不过，正如前文所述，在太阳变成红巨星之前，地球就已经被烤成了一片不毛之地。如果坐等大自然的力量拯救我们，恐怕已经来不及了。

　　被眷顾的星球

　　天文学家不是算命先生，他们预知几十亿年后发生在太阳身上的事情，除了可以依靠理论计算和计算机模拟外，还能通过遥看处于不同“年龄”的漫天恒星来勾勒出恒星演化过程的全貌。牛顿、爱因斯坦以及一众天文学家联手保证，我们的太阳应该会按照这篇文章里所描述的过程走完自己的一生，太阳精巧而简洁的平衡几乎不可能被什么因素意外破坏。

　　因此，大家除了领略电影带给我们的震撼与感动外，无需担心太阳真的会提前开始衰老并吞并地球。虽然有言曰“戏说不是胡说，改编不能乱编”，但科幻小说和电影能够以相对正确与真实的背景展开已经是相当可贵了，不能苛求它在科学上百分之百的正确。那样，小说也许就会失去了幻想的翅膀。

　　同时，《流浪地球》也许能让我们再次发现我们的家园——地球的可贵。这是一颗受到上天太多眷顾的星球，它处在太阳周围的宜居带里，可以允许液态水稳定存在孕育生命。较强的地磁场屏蔽了太阳高能粒子的侵袭，保护了大气层不被太阳风吹走。太阳不会爆发过于强大的耀斑，否则地球将持续处于强X射线和伽马射线的轰击之中。大气层的密度和成分能够有效的调节温度，让我们处于既不冷又不热的环境中。适度倾斜的地轴使大部分地区有了四季的变化。地球轨道之外的太阳系其他大行星又吸引了不少可能撞击地球的小天体。当这些有利的因素集中到一起时，才让这个星球上有了生生不息、多姿多彩的各种生灵，才孕育了自封为智慧生物的人类。当我们将望远镜指向浩瀚的宇宙之中，试图从繁星间找到一颗与我们同样幸运的行星时，却始终没有一个确定性的发现。如果现在我们就踏上流浪之路，我们并不知道哪里才是我们的安身之地。