《流浪地球》里的科学话题

中国水运报







　　科幻大片《流浪地球》春节期间刷爆了朋友圈，世界级的科幻想象力让大家惊艳之余，也引发无数人对广袤宇宙的无穷好奇。我们就电影中涉及到的一些科学话题来聊一聊，也不失为一件有趣的事。

　　电影《流浪地球》根据刘慈欣同名科幻小说改编而来，讲述了一个发生在未来的故事：太阳急剧老化，随时都有可能进入到红巨星的膨胀阶段，地球也将因此被吞噬。在此危急关头，为了地球人的存亡，地球上的联合共和国作出了一项紧急决定，在地球上建造上万座重核聚变行星发动机，每个产生上百万亿吨的推力，把地球当成一个庞大的宇宙飞船，驶离现有轨道，驶向距离太阳系最近的一颗恒星——半人马座比邻星。

　　从地球原有轨道到遥远的比邻星，按照小说而言，这是一场长达2500年、需要100代人才能完成的恢弘计划，它分为了五个阶段：（1）刹车阶段：凭借赤道上的行星发动机的巨大推力，使地球停止自转；（2）逃逸阶段：全功率开动行星发动机，使地球加速驶出太阳系；（3）先流浪阶段：利用太阳和木星完成最后的加速，驶向人类选定的新家园半人马座比邻星；（4）后流浪阶段：驶出太阳后，行星发动机全功率开启，利用500年时间将地球加速到光速的千分之五，然后滑行1300年；然后调转发动机，利用700年进行减速；（5）新太阳时代：地球泊入比邻星轨道，成为比邻星的卫星。

　　话题一：太阳会灭亡吗？

　　太阳氦闪是什么？真的会吞噬地球吗？

　　太阳以及其他质量差不多的恒星，在自己氢燃料不够用的时候，会塌缩成为红巨星，它的核心由于塌缩会变得极度致密、高温，最终点燃氦燃料，发生氦闪。

　　具体点说，恒星就像一个锅炉在燃烧，不同的是，这个锅炉太大，内部物质之间的万有引力是不能忽略的，因此恒星都由于引力而有向中心聚集的趋势。在恒星的成年阶段，也就是主序星阶段，引力压缩星体导致的高温高密，达到氢聚变的点火温度，而氢燃烧的热效应又足够抵抗引力，因此恒星能以一个稳定的体积持续发热，就像现在的太阳。这个过程中，恒星的氢在持续消耗，变成了氦。然而“坐吃山空”，主序星总会迎来一个时刻，氢燃烧的热量不足以抵抗引力，只好向内塌缩。

　　塌缩时内外所受待遇有别，恒星内核由于塌缩而高温高密，聚变温度升高，恒星外壳因此接收到更多的热量，向外膨胀，膨胀过程中一部分外壳气体甚至会脱离太阳的引力而被吹散，这就是红巨星的状态。此时，在较低温而膨大的外壳内部，恒星核心由于极高的质量和密度，而在进行激烈的聚变反应，电磁斥力和简并压会依次上场，来抵抗恒星核心强大的引力。而氦伴随着这个过程仍在核心迅速积累。氦的核聚变点火温度很高，但太阳等恒星质量极高，其核心会由于引力而达到极高的温度，最终氦在中心被点燃，反应非常剧烈，热量迅速积聚，出现非线性的强烈爆闪，氦闪发生了。爆闪的能量被恒星核心层层吸收，最终让核心解除简并而膨胀，外界此时会观测到突然的温度升高和热离子抛散，而核心膨胀后温度降低，无法满足氦聚变反应严苛的条件，反应迅速衰减，引力重新掌握了比赛。如此，恒星的核心伴随着氦闪经历一轮收缩、膨胀和收缩，静静等待下一次氦核的点火。

　　其实在氦闪之前，太阳塌缩吹散的热等离子体，就足以摧毁地球生物，而氦闪再次抛出的大量能量和热物质，很可能吞没太阳系行星。

　　太阳什么时候会灭亡？

　　太阳诞生于约50亿年前的一次星云坍缩，太阳系的其它行星紧跟其后。太阳提供的能量来自于其中心氢气的聚核反应，如同大量氢弹在太阳内部不断爆炸，按照现有的数据估算，这种聚核反应总共将持续约100亿年，所以，太阳还可以再燃烧50亿年左右。

　　在小说《流浪地球》中，科学家发现太阳异常，并预测太阳将进入红巨星膨胀阶段，在接下来的数百年时间里淹没地球轨道。红巨星是恒星燃烧到后期所经历的一个较短的不稳定阶段。不过人类学家曾经估算过，因为周围环境的各种变化，人类在地球上还可以存在的时间大约是200万年。而物理学家霍金曾经更为悲观，因为人类使用能源的没有效率，预言几百年后就需要考虑离开地球。

　　在某个时间，地球在被淹没之前就已经移到太阳系的宜居区之外，不再适合生命存在，反而在那个时候，火星将完全进入宜居区。



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