一文讀懂電影《流浪地球》沒有交代清楚的燒腦科學知識

編者按：本文來自微信公眾號「騰訊科技」（ID：qqtech），作者／喬輝，36氪經授權轉載。

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》在全國上映。我第一時間慕名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。

看完影片，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自行車放學回家，遠方地平線上的太陽顯得又紅又大，像一隻紅紅的氣球。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，說她是杞人憂日。

圖註：當太陽變成紅巨星時的樣子（藝術圖）

從恆星的演化規律上來講，太陽是會有熄火的那一天，不過是在遙遠的50億年之後。簡單來講，當太陽核心中的氫燃燒殆盡，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，太陽演化生成的紅巨星非常巨大，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巨星烤乾，生命不復存在。

我們可能聽說過各種版本的「世界末日」，但太陽成變紅巨星引起的「世界末日」肯定是必然會發生的！劉慈欣以太陽變紅巨星這個知識點為基礎，寫出了著名的科幻小說《流浪地球》，講述人類發現太陽要變成紅巨星時，人類給地球安裝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。

圖註：巨大的核聚變行星發動機，高11公裡，比珠穆朗瑪峰還高。

《流浪地球》場景非常宏大，萬座核聚變發動機，高11千米，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巨星，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。

圖註：太陽從誕生到膨脹為紅巨星的過程。

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，也就不會吸收熱量，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。

本來解釋一下電影中燒腦的名詞，結果好像越解釋越燒腦。那我再來簡單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。

圖註：位於獵戶座之肩的參宿四，這是一顆核心正在燃燒氦的紅巨星。

如果把這顆恆星放在太陽的位置，表面甚至可以觸達木星軌道。

燃燒石頭的核聚變發動機

我們知道，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。

圖註：中國超導核聚變裝置——東方超環（EAST)。

目前，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核聚變堆的概念，核聚變確實是一勞永逸地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，真佩服大劉的知識面和想像力。大劉的燒石頭不是燒成石灰石的化學過程，而是組成石頭的元素的原子核發生聚變的燃燒。

圖註：給聚變行星發動機提供燃料的巨大礦山車輛。

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？能！但實際上，難度恐怕高級外星人也做不到吧。

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處，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。有句話說的很好「我們其實都是核廢料」。

移動地球有多難？

影片中，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。

大劉也曾後悔說「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」是怎麼回事兒？

圖註：地球擺脫木星的引力，踏上飛往比鄰星的漫長旅程。

影片中，地球為了逃離太陽系，設定了一個飛往木星的冒險軌道，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（gravitational slingshot）或者叫引力助推（gravity assist）。

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。

圖註：藉助引力彈弓效應正在飛離太陽系的四個探測器。

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。這兩枚探測器就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，然後才達到了太陽的逃逸速度。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。

圖註：先驅者號探測器攜帶的地球名片。

攜帶地球名片（刻畫有裸體男人和女人那個名片）的先驅者10號和11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？

圖註：地球靠近巨大木星時，行星發動機噴出的等離子體火焰顯得非常纖弱無力。

影片中，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。

圖註：地球的部分大氣層已被木星的引力吸走。

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。

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。

圖註：該圖描繪了比鄰星恆星系統中三顆恆星的關係，及在比鄰星周圍發現的一顆行星。

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o米爾納宣布了「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。

宇宙中還真有流浪行星

從電影回到現實中，科學家還真發現宇宙中有流浪行星（Rogue planets），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還在於故事情節，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。