一部國產科幻大片《流浪地球》大年初一已開始在各大影城上映，在影片中出現了很多燒腦的科學概念，但又簡單一筆帶過，大多數的觀眾在較短的時間內根本無法理解真正的核心知識。經過團隊的連夜奮戰，我們在大年初二就給大家第一時間帶來了科學解讀，敬請慢慢細讀。
在大年初一，根據劉慈欣的小說《流浪地球》改編的同名電影《流浪地球》在全國各大影城上映。我們第一時間到電影院去觀看了影片。整部電影氣勢恢宏，講述了太陽將變成紅巨星，人類驅動地球逃離太陽系的故事。
在我看完影片時，使我回想起高中時代的一個浪漫的夏日傍晚，我和幾位同學迎著落日一起騎著單車放學回家，遠方的地平線上的太陽顯得又紅又大，像一團紅紅的烈火。其中一位女同學開玩笑地問，太陽會不會要熄火了？引得大家哈哈大笑，說她是杞人憂天，國際玩笑。
從恆星的演變規律上來說，太陽是會有熄滅的一天，不過是在特別遙遠的，50億年以後，可能會出現，簡單的說，當太陽核心中的氫燃燒殆盡，（也就是說他的燃料燒沒了的時候）生成的氦元素在引力的作用下坍縮，釋放的能量進一步升高溫度，點燃核心周圍的氫殼層，然後太陽迅速膨脹，成為一顆紅巨星。
有理論認為，太陽演化生成的紅火星非常巨大，最遠能夠膨脹到地球軌道。這樣，水星、金星和地球都會逐漸墜入太陽而毀滅。其實，早在太陽吞噬掉地球之前，地球上的海洋早已被膨脹的紅火星燒乾了，生命將不復存在。
我們可能聽說過各種版本的「世界末日」但當太陽變成紅火星時，引起的「世界末日」是肯定會發生的！劉慈欣以太陽變成紅火星這個知識點為基礎，寫出了著名的科幻小說《流浪地球》，講述了人類發現太陽要變成紅火星時，人類給地球安裝了萬座巨大的核聚變發動機，推動地球逃離年邁的太陽，飛往最近的恆星——比鄰星的過程。
電影《流浪地球》的場景非常宏大，萬座大型核聚變發動機，高達11公裡，就連珠穆朗瑪峰在發動機面前也相形見絀，電影的細節我就不談了。我只想談一談這部科幻電影提及到的真正的科學知識部分。
燒腦的「氦閃」是什麼現象？
文章開頭我們提到了太陽演化末期會變成紅火星，會吞噬掉行星。電影中還提到一個天體物理學中的名詞氦閃，我們再來具體介紹一下。
氦閃是發生在質量介於0.5倍到2倍太陽質量的恆星演化末期。當核心處的氫燃燒殆盡，形成的氦堆積在核心處，氦不斷積累自我壓縮，密度增加到一定程度形成「簡併態」，處於簡併態的物質靠簡併壓（一種量子力學效應）支撐著自身重力，而非靠熱壓力支撐。核心處的氦的自我壓縮，還會讓溫度升高，然而簡併態物質有一個奇怪的特性：溫度升高並不會導致其發生熱膨脹，直到熱壓力再次超過簡併壓，而且簡併態物質的熱傳導性非常好，當溫度一路飆升至1億度時，氦就受不了了，發生猛烈的熱核燃燒，短短幾分鐘就把核心6%的氦元素變成碳元素。對於太陽質量的恆星來講，氦閃釋放的能量相當於太陽正常燃燒3000萬年。
然而，據計算，如此巨大的能量並不會對紅巨星的外觀造成什麼可觀測的影響，因為這種能量釋放發生在恆星的深處，巨大的能量釋放讓熱壓力超過簡併壓，核心物質脫離簡併態而膨脹，大部分能量都耗費在驅動核心物質膨脹當中，剩餘的少部分能量被厚厚的外殼吸收。實際上，並不會發生電影中看到的劇烈景象。
本來想解釋一下在電影中燒腦的名詞，結果好像越解釋越燒腦。那我再來簡單點總結一下氦閃的過程：氫燃燒變成的氦物質堆積在太陽核心，核心的物質越來越多，然後發生收縮溫度升高，但核心的物質處於簡併態，溫度的升高並不能使其自動停止收縮，溫度會越來越高，當跨過1億度的門檻時，就發生了猛烈的爆炸式氦燃燒，數分鐘內就把能夠燃燒的氦變成了碳。但氦閃釋放的能量都被太陽本身吸收，表面居然看不出內部發生了什麼！質量小於0.5倍太陽的恆星沒有足夠的能力發生氦閃，而質量大於2倍太陽的恆星，發生的是穩定的、溫柔的氦燃燒，無需發生氦閃。獵戶座中大名鼎鼎的「參宿四」就是一顆質量是太陽10倍的紅巨星，核心正在發生氦平穩燃燒變成碳的過程。對於恆星的演化而言，質量幾乎決定一切，當然還要考慮其金屬豐度。
燃燒石頭的核聚變發動機
我們大家知道，氫彈是一種劇烈的核聚變爆炸現象，人類無法直接利用這種能量。人類需要的是可控核聚變，就是說能夠平穩輸出能量的核聚變裝置，到目前為止還處於實驗階段。如果有人問你，我們什麼時候能利用上核聚變的能量，你可以說50年後。再過10年又有人問你，你還可以說50年後，這當然是核聚變領域著名的段子，但隨著技術的提升，至少八零後應該能見到核聚變發電的那一天。
目前，在我們中國的超導核聚變託克馬克裝置（EAST）以及國際聯合建設的熱核聚變實驗堆（ITER）都讓我們看到了希望的曙光。目前人類首先要馴服的是氘氚的核聚變，也是相對最容易的一種核聚變（具體核燃料用的是氘化鋰）。
劉慈欣的科幻小說也經常涉及了核聚變堆的概念，核聚變確實是一勞永逸，解決人類能源問題的終極手段。
在電影《流浪地球》中，為了推動地球離開太陽系，人類在地球上建造了上萬座高聳入雲的核聚變發動機，燃燒的不是氫，也不是氦，而是石頭，真佩服他的知識面和想像力。燒石頭不是燒成石灰的化學過程，而是組成石頭的元素，原子核發生聚變的燃燒。
石頭的組成元素非常複雜，但主要是氧、矽、鋁和鈣等等這些原子序數較大的元素。這些元素能聚變嗎？
答案是當然能！但是實際上難度恐怕高到外星人也做不到吧。
在整宇宙當中，這些元素的核聚變發生在大質量恆星演化末期的核心，這裡的大質量最少也要8顆太陽質量以上了。實際上，我們身邊的元素，除了氫和氦，基本都是在恆星燃燒、超新星爆炸以及中子星合併過程中形成的，有句話說的特別好，我們其實都是核廢料。
移動地球有多難？
在整個影片當中，為了能夠移動地球，設定了萬臺超級聚變發動機，每座11公裡高，總共能產生150萬億噸的推力，嚴格來講單位要用牛頓，換算一下，大約是150億億牛頓。地球的質量大約6億億億千克，利用牛頓第二定律，可能很容易計算發動機推動地球的加速度大約等於0.000000025倍的地球表面重力加速度，猶如蜉蝣撼大樹，根本無法驅動地球脫離太陽。
劉慈欣曾後悔說「當時沒有經驗，竟把地球發動機的具體參數全部詳細列出，詳細到可以很方便地直接計算地球得到的加速度，計算的結果是：發動機只能給地球零點（N多個零）幾的加速度，別說航行，改變軌道都不可能」。
【引力彈弓】是怎麼一回事呢？
在影片中，地球為了逃離太陽系，設定了一個飛往臨星的冒險軌道，差點毀掉地球。這種冒險的原因是為了利用木星給地球加速。這種加速的方式俗稱引力彈弓或者叫引力助推。
引力彈弓這是一種非常成熟的航天技術，現實中有著廣泛的應用。人類第一次利用引力彈弓效應發生在1959年，當時蘇聯的月球3號探測器從月球南極後方飛過，藉助月球的引力繞到月球背面並拍攝了人類第一幅月球背面的圖像。這次的引力助推不但改變了探測器的飛行軌道平面，也少許增加了速度。
在1977年，NASA著名的旅行者1號和旅行者2號發射升空，各攜帶帶有人類信息的金唱片飛往宇宙深處。目前，旅行者1號和旅行者2號分別於2013年和2018年先後成為進入星際空間的人類探測器。這兩枚探測器也充分利用過引力彈弓效應，旅行者1號在飛掠木星和土星時，利用了這兩顆大行星進行了加速，旅行者2號利用了木星、土星以及天王星的加速，但在接近海王星時，為了探測海王星的衛星」海衛一「，飛掠海王星的角度導致了相反的引力彈弓效應，速度下降了一些。導致最終速度旅行者1號比旅行者2號要快，首先進入星際空間。
先驅者號探測器攜帶的地球名片（刻畫有裸體男人和女人）的先驅者十號和十一號探測器也利用過木星的引力彈弓效應進行加速。卡西尼-惠更斯土星探測器，也利用過地球、金星以及木星的引力彈弓效應。此外，還有黎明號探測器、尤利西斯探測器等等都利用過這種技術，簡直不勝枚舉。這裡再強調一句，引力彈弓效應不但能夠加速探測器，當然也可以減速探測器，訣竅在於飛掠行星的位置，這裡就不展開說啦。最近的例子是2018年發射的帕克太陽探測器，該探測器就要利用金星的彈弓效應一次次逐漸降低軌道速度，逐漸靠近太陽。
地球為什麼有被木星撕裂的危險？電影中反覆提到的「洛希極限」是什麼意思？
在影片當中，當推動地球前進的行星發動機發生故障時，地球離木星越來越近，即便後來發動機恢復運轉，但仍然無濟於事，地球仍然在接近木星。地球人陷入了絕望之中，到了該吃吃該喝喝的狀態。如果地球越過木星的洛希極限距離時，木星的潮汐力就會把地球撕碎！在千鈞一髮時刻，人類靠點燃木星和地球氧氣混合氣體的方法，成功把地球推離危險軌道。
在天體力學中，洛希極限又稱洛希半徑，最早由法國天文學家洛希提出，因此稱為洛希極限。我們就拿地球接近木星作為特例簡單說一下：地球的物質結合在一起的主要作用力是自身的重力，當地球靠近木星的時候，木星會對地球產生強烈的潮汐撕扯作用，當潮汐力超過地球自身物質的重力結合作用時，地球就會被撕裂。地球剛開始被撕裂時，離木星的距離就是洛希極限。
土星壯觀的光環就位於土星的洛希極限內，光環中的物質無法靠自身的引力聚合成較大的天體。實際上，土星環可能就是由土星的一顆天然衛星越過洛希極限被撕裂形成的。當然也可能是土星形成時剩餘的物質。還有一個有趣的例子，火星的衛星「火衛一」早晚會進入火星的洛希極限內，被火星撕裂，形成圍繞火星的環狀系統。科學家估計這個時間大約只有3000萬年到5000萬年。
圖註：這個圖描繪了比鄰星恆星系統中三顆恆星的關係，以及在比鄰星周圍發現的一顆行星。
流浪地球的目的地—比鄰星
稍有天文常識的人都知道，距離太陽系最近的恆星是「比鄰星」，只有4.2光年，4.2光年對於我們來說也是巨大的空間尺度了，要知道1光年大約等於9.5萬億公裡。
比鄰星所在的恆星系統其實是包含了三顆恆星。三顆恆星肉眼是無法分開的，看起來就像是一顆恆星。由於這三顆星是半人馬座最亮的星點，因此稱為「半人馬座α」星。半人馬座α星是由兩顆太陽大小的恆星相互圍繞公轉，外加一顆相對距離較遠的「比鄰星」組成。這個恆星系統也是劉慈欣《三體》小說的切入點。實際上，這樣的三體系統是穩定的，不會出現《三體》中所描述的「恆紀元」和「亂紀元」。
在2016年，歐洲南方天台發現一顆行星圍繞比鄰星公轉，該行星距離比鄰星約0.05個天文單位（750萬公裡），質量相當於地球的1.3倍。令人興奮的是，該行星可能處於比鄰星的宜居帶上。「宜居帶」是指行星距離恆星遠近合適的區域，在這一區域內，恆星傳遞給行星的熱量適中，既不會太熱也不太冷，能夠維持液態水的存在。但由於比鄰星是一顆紅矮星，能量輸出不太穩定，經常有大的爆發現象，可能並不適合生命在其周圍生存。
比鄰星一直是人類設想的星際航行的首選目的地2016年4月12日，著名的俄羅斯投資人尤裡咪爾納宣布了「突破攝星計劃」霍金還親臨現場為該計劃站臺助威。
圖註：「突破攝星」計劃的光帆飛行器需要強勁的地面雷射陣列供能。
該計劃設想在地面上建設雷射陣列，然後利用雷射產生的光壓推動極薄、極輕的光帆高速前進，在200萬千米的距離上完成加速過程，並使光帆的速度達到光速的20%！以這樣的高速奔向離太陽系最近的比鄰星所在的恆星系統僅需20年。
光帆攜帶一個釐米大小的晶片，小小的晶片上面集成有核電池、微處理器、導航系統、通信系統、以及高清相機等等，真可謂是「麻雀雖小，五臟俱全」，是一枚真正的探測器。為了節約加速能量，光帆和晶片的質量限制在克量級。光帆和微晶片的組合體可以成群地運行在地球軌道上，等待雷射陣列的加速一個個奔向深空。
當然，這個激進的設想給當前人類的科技水平提出了很大的挑戰！雷射器的連續輸出功率要求為100吉瓦（1億千瓦），相當於五個三峽水電站的輸出功率。這樣強大的雷射對光帆來說簡直是噩夢，在承受極大光壓的同時，還要承受極高的溫度。抵達目標後，微晶片探測器想要把信息發回4.2光年之遙的地球並接收難度極大，因為晶片的發射功率實在有限。
宇宙中還真的有流浪行星
從電影中回到現實，科學家還真發現宇宙中有流浪行星，這樣的行星不隸屬於任何恆星。今年年初，清華大學毛淑德教授接受我們採訪時就表示，可以利用「微引力透鏡法」探測流浪行星。簡單來說，微引力透鏡是指當有未知天體經過背景恆星時，天體的時空彎曲效應就會突然增亮背景恆星的亮度。
流浪行星的形成有多種原因，質量較大的可能是像恆星那樣獨立形成的，例如有很多行星的質量已經逼近褐矮星的程度。有些可能是中央恆星發生超新星爆炸，行星被衝擊到宇宙空間。
還有一些可能是在恆星系統形成的過程中，被其他行星的引力相互作用拋出去的。自從牛頓發現萬有引力定律解釋了行星運動以來，科學家就發現，由於恆星系統是多體相互作用，其實是一個混沌系統，長期來看運動是不可預測的，有一種可能就是某顆行星會被拋出太陽系。
還有一種更精彩的情況，當恆星被黑洞吞噬的時候，其攜帶的行星有可能被拋射出去，形成速度極快的流浪行星。
更腦洞的情況就是大劉描繪的被高等智慧生命驅動，在宇宙中尋找合適家園的流浪行星。
電影中還有一些其他的科學細節，就不一一解析了。這部小說的成功主要在於故事情節，太陽變成紅巨星，人類帶著世世代代生存的家園一起逃離，本身就是一件非常浪漫的事情。