回到現實，太陽真的會變得特別亮嗎？我們能點燃木星嗎？

如何評價劉慈欣同名小說改編的電影《流浪地球》？

圖片：《流離地球》

若何評價劉慈欣同名小說改編的片子《流離地球》？

狐貍師長教師，研究天文學的狐貍

因為受邀請先看了點映，所以在上映前得以備了回覆。年夜年三十當作文，祝大師新年歡愉。下面回覆原文頒發于騰訊科技。

有劇透，請小心閱讀。

在公共看來，科學家往往不是好的科幻片子不雅眾，他們會過分注重影片中的科學細節，而不克不及享受故事的樂趣。但我要為此辯護一句，除去片子院，科學家有幾多機遇去不雅察一個將來的宿世界呢？更況且，只有優異的科幻片子才會惹人思慮背后的科學問題，蹩腳的科幻片子不外是蹩腳的片子罷了，而《流離地球》毫無疑問是會引起科學工作者思慮的有趣影片。在不雅看片子的過程中，我試著將本身看成一個“片子宇宙”的不雅察者，思慮《流離地球》宇宙不雅中的科學問題。下面我想和大師分享一下我對《流離地球》中幾個科學問題的思慮。

太陽的轉變

在片子《流離地球》中，太陽亮度的增添是地球不得不背井離鄉，遠遁太空的原因，但實際宿世界中的太陽，真的會發生如許的轉變嗎？

絕年夜大都人可能從未想過，有一天太陽會改變。在曩昔的 46 億年里，太陽一向持續不變地為地球供給能量。這種能量來自于太陽焦點發生的氫元素聚變反映——每 4 個氫原子核經由過程一系列的中心反映最終形當作兩個氦原子核。而兩個氦原子的質量略小于 4 個氫原子之和，這中心的質量不同按照愛因斯坦的質能方程

$\rm E=mc^2$

，轉化當作了太陽的能量。這些能量中的絕年夜部門以光的形式發出，剩下的則由中微子攜帶。每一秒鐘太陽會將六億噸的氫原子轉化為氦原子，發生的能量中有極其細小的一部門被地球領受到，供給地球上的生命所需。

太陽自身有很是不變的調節機制，包管光熱的不變輸出：若是太陽內部的熱核聚變反映因為某種原因略微加快，就會引起內部溫度升高。這種升溫會使得太陽整體微微地膨脹，從而使得焦點溫度和壓力答復正常。對于太陽來說，這種調節在很短的時候里就可以完當作。太陽自身發光的不不變水平只有年夜約千分之一（本家兒如果黑子等太陽概況特征轉變導致的）造當作的影響遠遠小于分歧季候帶來的不同。宇宙中半斤八兩多的恒星做不到像太陽如許不變的調節，例如，我們熟知的獵戶座第二亮星——參宿四就會因為不竭地進行膨脹縮短，而在數百天時候里亮度轉變跨越 2 倍。

在曩昔的 40 億年里，太陽的整體亮度上升了年夜約 20%。這種轉變對于地球的生命演化發生了主要的影響，可是，在一個單一物種存續的時候（百萬年到萬萬年）里，太陽的轉變不會發生顯著效應。若是太陽按照物理紀律演化，那么在將來的 10 億年里，太陽的能量輸出將上升 10%，這可能會激發地球上掉控的溫室效應。但這長短常長的時候標準，在這之前人類本身激發的全球變暖就會造當作嚴重的影響。

在《流離地球》的原著中，科學家不雅察到太陽焦點的演化加快了，而且在地球逃離到木星四周時就已改變當作為了一顆紅巨星，完全吞噬了金星和水星。從天文學的角度來看，太陽確實會在將來的某個時刻起頭標的目的紅巨星轉化。這是因為太陽焦點的氫元素在聚變燃燒后會轉化為臨時無法聚變的氦元素，沉積在太陽中間，形當作一個致密的核。當這個致密的核變年夜，原本在太陽焦點發生的氫核聚變燃燒，就改變為在致密的氦核之外發生。這種改變會使得太陽掉去不變性調節機制，能量產出不竭增添，而且體積起頭膨脹，變得更紅。天文學上稱處于這個階段的恒星為“紅巨星”。在這種演化的末期，紅巨星中間堆集了足夠高的溫度，最終會使得氦組成的焦點起頭聚變，掉控的氦焦點燃燒會在數秒的短臨時間內釋放出龐大的能量，這被稱作“氦閃”。

在原著中，太陽一向沒有發生較著可見的轉變，直到氦閃發生。地球之所以火急需要逃離也是因為要遁藏“氦閃”。但在現實的恒星演化圖景中，氦閃僅僅是太陽在第一次紅巨星演化的終點，早在氦閃發生之前，太陽就已經釀成了很是龐大而且灼熱的紅巨星了。氦閃因為發生在太陽焦點，現實上地球上的不雅察者也并不會看到像原著一樣震撼的爆發現象。在片子版《流離地球》中，太陽的轉變已經不像原著中那樣戲劇化，變得較為緩和。

不外，請大師務必安心，天文學家今朝對于太陽如許質量的零丁恒星演化領會得半斤八兩清晰，無論從理論上仍是不雅測上，都不撐持太陽會在將來的數百年里發生片子中那樣的轉變。由人類本身造當作的全球變暖問題可能才是實際中地球最年夜的危機。

推進地球的動力

在《流離地球》的故事中，地球的旅途分為四個階段。起首，經由過程轉標的目的引擎，使得地球遏制自轉；第二步，地球的推進引擎啟動，地球起頭離開自身的軌道。因為推進引擎只能供給很小的加快度，地球在逃離太陽之前仍然會繞著太陽轉良多圈，慢慢地改變軌道的外形，從圓形軌道釀成一個扁扁的橢圓軌道，最終逃離太陽的引力束厄局促，飛標的目的太空；第三步，地球會用 500 年時候加快到光速的千分之五，也就是 1500 公里 / 秒的速度。地球會用這個速度滑行 1300 年；第四步，在接近目標地時，地球會用另一個 500 年減速，泊入新的太陽的軌道。這個新的太陽就是距離太陽比來的恒星——4.2 光年之外的比鄰星。整個過程持續年夜約 2500 年。

牛頓第三心猿意馬律告訴我們：若是你標的目的后拋出一些工具，你就會獲得標的目的前活動的加快度。若是地球想要逃離太陽，它需要標的目的進步的反偏向丟棄本身一部門的質量。這些被丟棄的物質在被拋出時相對地球的速度越快，地球獲得的進步加快度也越多。

固然流離地球的最快速度只有光速的千分之五，但對于人類今朝的手藝能力，依然是一個艱難的挑戰。人類今朝最快的宇宙飛船，觀光者 1 號當前的速度年夜約是 17 公里 / 秒。流離地球的最終速度會是觀光者 1 號的 90 倍。考慮到《流離地球》故事起頭的年月距離今天不遠，在人類已經進行概念設計的將來火箭能源中，最為可能在《流離地球》時代實現的是核動力引擎。

在第二次宿世界年夜戰竣事后不久，美國核物理學家烏拉姆曾提出一個斗膽的飛船設想——操縱原槍彈發生的威力推進飛船進步。在這個藍圖中，太空飛船現實上是標的目的后放出一系列氫彈，讓它們在太空中爆炸。在此根本上，泰德·泰勒和弗里曼·戴森提出了聞名的獵戶座打算。只要帶上一些原槍彈，人類就可以很輕易地將龐大的飛船送到火星。而之后由英國人提出的代達羅斯打算加倍宏偉，以氫聚變為能量源，飛船可以在 50 年的時候里將人類送光臨近的恒星——巴納德。在代達羅斯打算的藍圖中，飛船將攜帶跨越 5 萬噸的氦 3 和氘作為燃料，將一個年夜約 500 噸的飛船送到另一顆恒星。考慮到地球上很難收集到如斯多的氦 3 和氘，代達羅斯打算的設計者們現實上但愿在月球或者木星上開采這些燃料。

對于推進流離地球來說，要想收集到足夠推進整個地球的氦 3 和氘則加倍堅苦。影片現實上提到流離地球的推進引擎的能量來歷是“重元素聚變”。是的，不僅僅是輕元素可以聚變，事實上，在恒星演化晚期，碳、氮、氧、硅等元素也可以經由過程核聚變轉化為更重的元素，并釋放能量。對地球來說，最好的燃料應該是氧和硅，它們加起來占了地殼質量的 74%。所以在影片中，我們看到燃料采集車直接挖取山石。在影片的科學設心猿意馬下，這些山石可能只需要簡單的處置就可以作為引擎的核聚變燃料。

在恒星內部，氧（

$^{16}O$

）有多種聚變體例。最為常見的是兩個氧原子核（

$^{16}O$

）聚變發生一個硅原子核（

$^{28}Si$

）和一個氦原子核（

$^4He$

）,同時發生 9.6Mev 能量——大要半斤八兩于 2 個氧原子總質量的萬分之三。比擬之下，在太陽內部發生的由 4 個氫原子核聚變為一個氦原子的聚變反映出產能量的效率要高得多，可以將肇端的氫原子的千分之七的質量轉化為能量。當然，硅和氦也可以進一步地聚變，發生更多的能量，但總的來看，能量釋放效率依然不及氫聚變的效率。

若是我們假設氧聚變發生的所有能量，都用來加快產品中的硅, 使其直接噴射出去，那么后者可以達到光速的 3%擺布。我們還記得流量地球最終需要達到光速的千分之五，簡單地套用火箭公式來計較地球最終耗損失落的質量，我們會發現地球在加快過程中需要損掉失落本身 20%的質量。這對地球來說可不是一個小事，地球的布局會是以發生顯著的轉變。不外，經由過程加倍合理地設計地球噴射引擎，用核聚變的能量來發電，并用電磁力驅動輕離子噴射，而非直接噴射核聚變產品，地球將可以把絕年夜大都的質量存留下來。不外，這仍然會永遠地改變地球地殼中的元素組成。

不外，不管怎么說，物理學根基心猿意馬律尚未阻止人類帶著地球離開太陽系。

星際觀光是科幻小說長盛不衰的母題，但常見的科幻設建都可以分為兩類：上策是操縱“蟲洞”或者“空間折疊”來打破愛因斯坦的相對論限制，實現超越光速地觀光；下策是經由過程光速飛船來完當作恒星間的遷移。劉慈欣則獨辟門路，將地球整體作為飛船。這可以最年夜限度的保留人類的生命，并且所依靠的手藝并未過分超出物理實際。恰是這種高配飛船加低配引擎的組合，制造出了片子中磅礴的排場和悲壯的故事。

為什么要接近木星

《流離地球》影片中，地球在接近木星的過程中，被木星的引力捕捉，發生了災難性的后果。不外，為什么地球在逃亡的旅途上需要接近木星呢？我想這本家兒如果為了借助木星的引力彈弓效應來進行加快。

下圖是我從《安步到宇宙絕頂》中摘取的一個示例圖。在起頭的時辰，飛船以速度 v 飛標的目的行星，在行星的引力感化下，飛船的飛翔偏向完全改變，速度增添了 2U。這很像是迎著火車進步的偏向扔一個棒球，在碰撞后，棒球完全被反彈回來，而且從火車身上獲得了新的動能。在引力彈弓變軌過程中，行星將動能傳遞給了飛船，而且改變了飛船的速度偏向。

引力彈弓效應早在上宿世紀七八十年月，就被普遍地引用于太陽系的深空探測。這此中最為聞名的當屬觀光者號的“偉年夜航線(grand tour)”。在 1980 年前后，木星、土星、天王星和海王星形當作一個比力怪異的擺列：它們城市運行到太陽系的統一側。這種 175 年一遇的特別行星擺列，給了觀光者號多次借助行星引力彈弓效應的機遇。觀光者 1 號和 2 號得以一次拜候太陽系的好幾顆行星，而且可以達到很高的航速，飛出太陽系。

流離地球打算毫無疑問也是想要借助木星的引力彈弓效應來加速速度。不外，和觀光者號分歧，流離地球有半斤八兩強勁的核動力引擎。借助木星的引力彈弓效應，流離地球可以獲得 10km/s 擺布的加快，這比擬于流離地球最終 1500km/s 的航速眇乎小哉。固然，借助木星的引力彈弓，地球可以省幾年的航行時候，但考慮到總的流離旅途長達 2500 年，這種風險似乎并不值得。地球也許不需要靠木星那么近，完全可以借助木星進行一個比力暖和的引力加快。事實上只要和木星距離拉開到 30 倍的月地距離，木星在地球上發生的潮汐效應，就和月球對地球的潮汐效應差不多了。

在影片中，地球之所以被木星捕捉，是因為木星俄然呈現了“引力增幅”。需要指出，對于實際物理宿世界來說，一個天體的引力，完全由其質量決議，不會呈現俄然的增添。所以，對于今天的深空探測來說，計較飛船的軌道并不算是難事。除了最初的幾回嘗試，人類飛翔器在汗青上幾乎沒有在借助行星引力加快時呈現過重年夜掉誤。

點燃木星

在影片的飛騰階段，地球落標的目的木星。本家兒人公俄然想到：木星年夜氣本家兒如果由氫氣構成的，而地球年夜氣則包含 20%的氧氣。為了使地球離開木星的引力，救援隊點燃了木星和地球年夜氣的夾雜氣體，發生了龐大的沖擊波，將地球推離了木星。

這個橋段大要是讓我最感覺“感受不太對”的處所了。氫和氧氣夾雜爆燃，其素質上仍然是化學燃燒。若是說氧的聚變反映可以將氧的質量的萬分之三轉化為能量。那么氫和氧的化學燃燒過程，只可以將這些燃料質量的百億分之一轉化為能量。

而地球上年夜氣層里所有的氧氣占地球總質量不外萬萬分之二。即使地球上所有的氧氣都已經和木星夾雜，而且充實燃燒，其燃燒發生的能量完全用于加快地球，地球也只會獲得細小的加快度。此外，我們很難等候發生在木星概況的爆炸沖擊波有很是切確的指標的目的性，剛好能將能量聚焦在遠在數千公里之外的地球身上。樂不雅估量，也許只有百分之幾的能量可以用于加快地球。這一點點的推力，是否剛好可以將地球推離木星的引力陷阱呢？在實際宿世界里，我持很是灰心的立場。但也許“無巧不當作書”才是組成傳奇的根本吧。

比鄰星是否是合適的家園

流離地球的目標地是比鄰星。比鄰星是距離地球比來的恒星，但很難說它是一個抱負的新家園。最年夜的問題在于：比鄰星過于暗淡，只有太陽質量的十分之一，勉強達到焦點發生核聚變的尺度。如許的恒星會揭示出很年夜的不不變性，表示在高頻率的恒星耀斑爆發。太陽也會有耀斑爆發，在很短的時候里標的目的宇宙空間釋放年夜量能量，而且伴以年夜量的物質拋射。在耀斑強烈的時辰，地球上的無線電通信會受到其干擾，但不會對人類糊口造當作太年夜的影響。但在比鄰星軌道，這種耀斑爆發有可能造當作災難性后果。這是因為比鄰星過分暗淡，地球若是要想充實領受比鄰星的能量，讓冰凍的海洋融化，需要很是接近比鄰星，其軌道距離只有今朝日地距離的 1/20。一旦耀斑爆發，地球因為距離更近，也將受到更年夜的影響。在 2018 年，科學家報道了比鄰星在 2016 年的一次超等耀斑爆發，從地球上不雅察，比鄰星在耀斑爆發時亮度比起日常平凡增添了 68 倍。地球若是泊入如許的恒星軌道，在耀斑爆發時，地球生態圈可能受到撲滅性沖擊。

別的，比鄰星處于一個三合星系統。和比鄰星相鄰的兩顆恒星卻是和太陽很近似，可是它們之間的距離很是近。若是地球進入任何一顆恒星的軌道，不免不受到另一顆恒星的引力影響，很難處于不變狀況。如許看來，比鄰星也許只能作為流離地球的一個半途補給站。地球可以在這里獲得燃料彌補，但無法將這里當做久居之地。

在太陽臨近的 5 秒差距（年夜約 16 光年）內有 52 顆恒星，這些恒星都可以作為流離地球最終的備選之地。例如，距離太陽 12 光年的 Tau Ceti 也許就是一個不錯的選擇，其亮度大要是太陽的一半，并且看起來很是不變。這顆恒星今朝已經被發現擁有 5 顆行星，此中一顆甚至可能有適宜的溫度，可以撐持液態水存在。

我真切地但愿，在流離地球的旅途中，結合當局不要健忘幫助天文學家的工作，他們的研究必然會為地球最終家園的選擇供給靠得住的資料。