出品| 新浪科技《科學大家》、墨子沙龍
撰文| 張雙南 中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、中國科學院大學教授、“慧眼”天文衛(wèi)星首席科學家
看完流浪地球，我自己覺得這部影片具有非常天才的、世界級的科幻想象力，特別過癮。在美國大片中，美國人天天拯救世界，一部美國大片拯救一次，這次終于輪到中國人出手了，不僅拯救了人類，連地球一塊拯救了。
電影的主演是吳京，有朋友說好像吳京每次出場都這樣，有點臉譜化。我說這正是我們中國軍人和航天人該有的正氣，每次出場就該這樣。我自己也算是半個航天人，我的職業(yè)就是造天文望遠鏡，造完之后把它放到衛(wèi)星上面去，然后在衛(wèi)星上面、在我們的空間站上面探索宇宙。
電影中的科幻想象力非常震撼，帶著地球奔向希望、點燃木星這兩個特別有想象力的創(chuàng)意讓人大呼過癮，它們背后的科學與技術是什么，在這里和大家一塊探討一下。
地球為什么要流浪
▲太陽系宜居區(qū)示意圖
第一個科學的道理是地球為什么要流浪？先看看地球和太陽的關系，太陽周圍有一塊綠色的區(qū)域，叫做宜居區(qū)，就是距離太陽這么近的時候，從太陽接收到的光和熱恰到好處，在這個星球上面能夠生存，當然今天地球是處于宜居區(qū)里面。所以這個藍色的地球我們把它叫做活地球。
太陽和地球之間的距離，天文上面把它叫做一個天文單位。如果回過去看，46億年之前，地球產(chǎn)生的時候就處于宜居區(qū)里面，太陽系里面就只有這一個星球從它誕生開始就處于宜居區(qū)里面，人類是非常幸運的。
▲50億年后，地球?qū)⒈惶柾滩?/span>
隨著太陽的演化，雖然今天地球仍然在宜居區(qū)內(nèi)，但已經(jīng)很邊緣了，再過一小段時間：17.5億年之后，宜居區(qū)就往外移動了，因為太陽內(nèi)部產(chǎn)生的核反應變得越來越劇烈，這樣太陽就變大了一些，顏色也變紅了一些，宜居區(qū)自然就往外走了一些，這個時候地球就出了宜居區(qū)了，叫做死地球。這個時候地球上溫度太高了，不適應于生命繼續(xù)存在了。
如果像《流浪地球》電影上面所說的，人類有足夠的能源，能夠想辦法推著地球跟著宜居區(qū)往外走，是不是就可以一直在地球上面折騰下去了呢，不用考慮移民到別的星球上去了呢？
來看看太陽允不允許這樣。今天的太陽其實是不大的，直徑只有1%的天文單位，剛才講一個天文單位是太陽和地球之間的距離。雖然太陽無論它的光和它的引力都控制著整個太陽系的行為，但是它占的體積非常小。然而再過一段時間：50億年之后，太陽就變得很大了，變成一個紅巨星了，太陽內(nèi)部的核反應速度增加了，產(chǎn)生的輻射太多了。這個時候太陽的半徑恰好是一個天文單位，地球就會被太陽吞并。
如果不離開地球就沒有活路，或者說如果繼續(xù)想在地球生存下去，可以離太陽可以遠一些。太陽允許我們這樣嗎？其實也不行。在太陽變成紅巨星的過程當中，它內(nèi)部會產(chǎn)生一個劇烈的過程——叫做氦閃，在《流浪地球》電影里面也出現(xiàn)過。
太陽今天是一個處于主序階段的恒星，這個階段主要通過燃燒氫原子產(chǎn)生氦，隨著燃燒區(qū)域逐漸的往外走，中間變成了氦原子核，當氦原子核的體積增加的時候，內(nèi)部中心的溫度和密度就會增加，這個時候突然就會把氦原子核點燃起來，這個過程比燒氫原子核要劇烈：在4分鐘的時間里面所產(chǎn)生的能量相當于今天太陽200萬年產(chǎn)生的能量，產(chǎn)生的能量非常大。
▲氦閃（想象圖）
這個時候就無法待在太陽系里了，即便離太陽遠遠超過一個天文單位也是不可以的。但是氦閃就持續(xù)4分鐘，等它結束之后，如果再悄悄回來是不是可以呢？那個時候經(jīng)過了氦閃過程，太陽就會冷卻，變成一個白矮星了，白矮星就真的不折騰了，很穩(wěn)定。
這個時候回來是不是可以？仍然不可以。雖然在外面躲一陣子能夠躲過氦閃，但是白矮星自己是不產(chǎn)生能量的，所以待一陣子再回來也是不行的。這就告訴人類，無論如何，將來人類離開地球到別的地方去，或者帶著地球一起去流浪。所以電影的第一個科學原理，地球必須要流浪是成立的，只不過它的時間尺度并沒有電影上所說的幾十年之后，上百年之后就會發(fā)生，而是要幾十億年之后才會發(fā)生，當然科幻上時間是可以變的，基本原理是對的。
白矮星（想象圖）
為什么要點燃木星？
第二個，電影里面特別重要的一件事情，就是要點燃木星。在地球開始流浪之后，第一步想到木星，為什么去木星？因為木星在太陽系的外圍，它繞著太陽運動的速度更快，如果到木星的附近就會被木星引力所俘獲，木星的質(zhì)量是地球質(zhì)量的500倍，地球就會隨著木星的運動而運動，運動到人類想要的方向之后，再從木星逃出來，這個時候地球就具有很高的速度，就是所謂“引力彈弓效應”。
所以電影里面要往木星那個方向去。但是在走的過程當中，發(fā)生了一些事情：木星上發(fā)生了引力異常，導致了驅(qū)動地球往前走的行星發(fā)動機大部分就壞掉了，本來有一萬個行星發(fā)動機，壞掉了七千多個。這個時候由于木星的引力很強，地球就被木星吸著往木星撞過去。所以就遇到第一個危機，如果不想辦法阻止地球落到木星，很可能流浪還沒開始，就已經(jīng)球毀人亡了。
▲木星的氫氣和地球的氧氣混合
電影上說，我們沒有辦法把發(fā)動機修好，唯一的辦法就是把木星炸掉，產(chǎn)生足夠多的能量把地球推走，這個時候地球可以繼續(xù)流浪。這是為什么要點燃木星的動機，要在木星上產(chǎn)生足夠多的能量才能做到。
人類能不能點燃木星？利用什么原理？木星的大氣里面89%是氫氣，地球大氣里面21%是氧氣，氧氣和氫氣混合會發(fā)生化學反應，叫“放熱反應”。這是電影里面特別具有創(chuàng)意的地方，把地球大氣里面的氧氣和木星大氣里面的氫氣混合起來產(chǎn)生能量放熱，當然放熱過程可以有很多，希望要產(chǎn)生的是爆炸。具備了氫氣和氧氣混合，這個時候地球距離木星很近了，木星的引力是地球引力的500倍，氣體吸過去是有可能產(chǎn)生這個條件。
▲燃燒和爆炸
那么具備這個條件就一定能爆炸嗎？先看一個實驗，上圖這個實驗就是來點燃氫氣。這是氫氣罐，出來氫氣，拿一根火柴點燃沒有爆炸，燃燒起來了?？磥肀ú涣?。下圖實驗：這是一個氫氣球，里面是氫氣，汽車頭上帶著火，沖過來把氫氣球撞開，這個時候氫氣出來爆炸了。
上面不爆炸，下面爆炸，為什么呢？這就是化學反應的一個基本道理。上面氫氣濃度太高了，從氫氣罐里面出來的氫氣濃度太高了，是燃燒。下面氫氣球爆炸和空氣當中的氧氣混合，氫氣濃度比較低會爆炸。
那個時候木星從地球吸過去的氧氣不會太多，混合的比例是有可能達到4%-75%的，是可以爆炸的。電影里面這個科學原理也是沒有問題的，想的是非常的好。
重核聚變發(fā)動機為何“燒石頭”
另外一個很重要的科學原理就是往行星發(fā)動機去的大卡車上裝的是石頭，電影里面說了，這些行星發(fā)動機就是燒石頭，燒石頭如果也行的話，那么今天在地球上就不會有石油，不會有那么多的麻煩了。
▲聚變裂變反應
但電影里面確實是燒石頭，到底能不能燒石頭？上圖是核物理的一張圖，縱軸叫比結合能，就是原子核穩(wěn)定的程度，值越大原子越穩(wěn)定。橫軸就是原子核里面的質(zhì)量數(shù)，中子數(shù)或者是質(zhì)子數(shù)，這張圖頂峰處就是鐵，鐵是所有核反應，尤其是宇宙當中的核反應到最后的產(chǎn)物，到鐵就不會再發(fā)生核反應了，最穩(wěn)定。這就是為什么地上鐵這么多，如果能用鐵的話就用鐵了。如果按照這個圖把重的原子核變的輕一些它就會釋放能量，或者把輕的原子核變得重一些，它也會釋放能量。道理是這樣說，到底行不行呢？當然可以。從原子核分裂為輕原子核就叫做裂變，這就是原子彈的原理。當然核電站反應堆里面用的也是這個原理。然而地球上的鈾，能用的是鈾235特別的少。即把地球上所有的鈾235全部用掉，夠人類用70-80年而已，然后就沒有了。
那聚變能不能做到呢，太陽內(nèi)部發(fā)生的就是這個反應。太陽一開始的時候很穩(wěn)定就是這個過程，氫彈也是這個過程?，F(xiàn)在人類最想做成的一件事，就是人工受控的核聚變，也叫做人造太陽。如果這個事情能夠做到，人類在今后很多年都能解決能源問題。地球上石頭多，由鎂、鋁等一些元素組成特別多。能不能燒石頭？能。燒石頭這個重核聚變過程，原理上是可以的，宇宙當中天天在干這個，但是人類在實驗室里還沒有掌握這個技術，所以原理上是可以的，只是還沒有掌握技術而已。
影片中的技術可行性
科學上講了幾個原理都是對的，地球最終需要離開太陽系去流浪，是必須的。而且點燃木星提供能量原理上也是成立的，燒石頭重核聚變，也是可以的。那么技術上可不可以呢？科學就是原理，技術就是手段。技術上能不能做到呢？
地球能夠“剎車”嗎
▲地球自轉停止會引起洪水
電影上要讓地球流浪，第一步先讓地球剎車，讓地球自轉停下來。首先看看如果讓地球自轉停下來會發(fā)生什么樣的事情，電影里面已經(jīng)展示了非常糟糕的一些事情，比如說海嘯，然后會發(fā)生地震，當然還會海平面上升。地球上大部分陸地就沒有了，所以超過一半的人類就滅亡了，剩下的一半都只能到地下去生存，這是很不好的地方。
但即便這么不好，技術上能不能做到呢，原則上用剛才所講的重核聚變燒石頭，把這些發(fā)動機放在赤道上面，沿著地球自轉反方向來噴，噴的時間足夠長，是可以做到的。噴多長時間呢？大概要噴幾百年，技術上面這件事情不是太好辦，后果也不是太好。
地球能夠被推出太陽系嗎
假設讓地球停下來了，然后這些行星發(fā)動機終于推著地球往前走了，能不能把地球推離太陽系呢？剛才講地球石頭特別多，就燒石頭。然而要想把地球推走，能量守恒很重要，要產(chǎn)生足夠多的能量，還要考慮動量守恒，要往外扔東西，只靠能量是不行的，要往外扔東西，靠反沖才能往前走。
我們的衛(wèi)星2.5噸重，擺在實驗室里面特別壯觀，我們在衛(wèi)星前面自豪地留影。一旦裝到火箭里面就看不到了，和巨大的火箭相比衛(wèi)星算不了什么，所以要把2.5噸重的衛(wèi)星送到地球的軌道上，還不是推離太陽系，就要用幾十噸重的火箭才能推走，扔很多很多東西才行。所以如果考慮動量守恒，雖然燒石頭能推地球走，但是等推著地球離開太陽系也不剩啥東西了，去了干什么呢？最后啥也沒有了，所以技術上也不是很好的辦法。但是好在這個過程需要2000多年才能跑到那個地方去，這個過程當中，科學家可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新的能源機制，有新的辦法能夠帶著地球走。
▲《流浪地球》電影畫面
地球自轉不剎車其實會更好玩
既然有這些技術的問題，那有沒有辦法改進呢？
▲進動和行星發(fā)動機
現(xiàn)在提供幾個思路，這是地球在自轉，如果要推著自轉的地球往前走，哪個方向走呢，沿著地球的自轉方向走就行了。把行星發(fā)動機放在地球的另外一面，就走了。有些朋友說，只能往這個方向走，那么要拐彎往木星去，到了那個地方還要調(diào)整軌道要拐彎，就沒法拐彎了。
其實也不難，比如想往那個方向走，轉一個向，怎么辦呢？就把這兩個發(fā)動機關了，每次發(fā)動機轉到這邊的時候就關掉，到這邊時就打開。從遠處看的時候會非常的漂亮，腦海里想象一下這個圖像：地球邊轉邊拐彎，轉到一個方向發(fā)動機就關掉，另外一個方向發(fā)動機就打開了，非常好看的一個圖像。而且還有另外一個重要的地方，如果地球不自轉，有這么多發(fā)動機在這，那么必須保證所有的發(fā)動機都均勻的平衡運行，只要有一個發(fā)動機壞了，往前跑的時候地球就跑歪了，這就是為什么火箭發(fā)射的過程會歪的原因：推力不平衡了。如果地球是轉動的，即使有一個發(fā)動機壞掉了，往前跑的時候仍然沿著那個方向跑，會有一點點進動而已，（進動：也叫旋進，是指一個自轉的物體受外力作用導致其自轉軸繞某一中心旋轉的現(xiàn)象）但還是會沿著自轉的方向非常穩(wěn)定的跑。
所有的在天上運行的飛行器里面都要有陀螺，都要有高速的轉動，保證飛行器穩(wěn)定的運行，轉動的東西跑起來不但穩(wěn)定，而且很好玩。扔飛碟的時候，是讓飛碟轉起來的時候扔，跑起來穩(wěn)，還是不轉扔，跑起來穩(wěn)？當然是讓它轉起來扔穩(wěn)。所以如果要拍這個電影續(xù)集的話，在這個過程當中，想辦法讓地球轉起來，這樣才能往前跑。
空間站其實無法給地球提供導航
▲衛(wèi)星導航（想象圖）
第二個問題，給導演支個招，電影里面為什么有空間站，空間站是給流浪地球?qū)Ш接玫?。我們今天知道，天上的衛(wèi)星都是要靠地面導航，或者是北斗衛(wèi)星導航的。那么地球也跑了，誰給空間站導航呢？顯然今天使用的北斗這個網(wǎng)絡是不能給流浪的地球前面的空間站導航的。
地面深空測控網(wǎng)也無法使用
▲地面深空探測網(wǎng)
今天給地球飛行器導航的另外一個辦法是用地球上的很多天線，包括上海的天馬天線，需要測量衛(wèi)星的位置，告訴衛(wèi)星在哪里。那么當?shù)厍蛞苍诹骼说臅r候，這個空間站的位置誰來告訴它，所以這個辦法也不行。
到那個時候怎么導航呢？
用中子星進行導航
太陽演化到最后會慢慢的變冷，經(jīng)過氦閃、紅巨星，最后變冷，變成安靜的白矮星。但如果比太陽的質(zhì)量再大10倍，這樣的恒星演化到最后它就會變成中子星，中子星的密度非常高。在十公里的半徑之內(nèi)，可以放進去兩個太陽的質(zhì)量。如果把地球變成中子星，地球會是多大？我一個指甲蓋這么大，密度非常非常高的天體。做陀螺的時候，絕對不會用棉花做陀螺，會盡可能找密度高的東西做陀螺，因為密度高，轉的穩(wěn)定。所以中子星的轉動是非常穩(wěn)定的，它如果再發(fā)射信號產(chǎn)生輻射的話，就是非常穩(wěn)定的時間到達的信號。
▲高速轉動的中子星
在這種情況之下，如果用宇宙當中的很多中子星來導航，就會出現(xiàn)一個很有趣的情況，這是用中子星來導航的一個原理，可以看到在飛行器上面放一個脈沖星的探測器，然后測量脈沖到達探測器的時間，這樣就了解了相對于我們的位置，也就知道相對于中子星飛行器所處的位置。
那么這種情況下，地球流浪的時候，它前面的空間站上面就可以裝上脈沖星的探測器，一般來講用X射線探測器，因為X射線探測器體積比較小，精度非常高，這樣空間站就知道它的位置了，就可以帶著地球走了。
原理上是這樣，技術上能不能做到呢？2016年9月15日我國發(fā)射了天宮二號空間實驗室，在上面帶有中科院技物所的載荷，也有中科院高能所的載荷，其中的一個載荷：POLAR伽瑪暴偏振探測儀，用這個儀器探測到了脈沖星，而且利用這個脈沖星的信號，為天宮二號做了導航驗證實驗。在一年之后我國又發(fā)射了“慧眼”衛(wèi)星，我也是這個衛(wèi)星的首席科學家，在這個衛(wèi)星上裝了更多的X射線探測器，利用這些X射線探測器能夠更精確的探測脈沖星，然后也用它做了脈沖星導航的驗證。
因此，利用脈沖星給流浪地球?qū)Ш剑粌H僅科學原理上是可以的，技術上面已經(jīng)得到了驗證。由于宇宙當中到處都有脈沖星，不僅僅是太陽系里面，深空旅行的時候可以用脈沖星導航，出了太陽系到整個銀行系，甚至出了銀河系到另外一個星系去都可以用脈沖星導航，所以用脈沖星導航，可以“浪”遍宇宙不迷路，這樣就可以解決導航的問題。
點燃木星有更好的辦法
這個電影里面我特別不喜歡的一點，就是把劉培強給弄死了，劉培強是電影的男一號。我特別喜歡英雄不死、大團圓、英雄救美，這個電影里都沒有，這方面我不喜歡。
▲洲際導彈點燃木星
他為什么這么做呢，一開始本來不想讓劉培強死掉，一開始想用行星發(fā)動機噴火，噴到木星上去，把木星點燃，后來使勁噴也沒噴過去，當然原理上就不應該噴過去，因為地球和木星之間空間的溫度非常低，那個火焰絕對出不了大氣層的，出去立刻就滅掉。
發(fā)現(xiàn)噴不過去之后，后來又想能不能送個導彈過去，把木星給打著，后來其中一個小孩說，導彈的射程好像不夠。在電影上，地球和木星離得很近了，地球上大氣都已經(jīng)被木星給吸過去了，所以只要這個導彈出了地球的大氣層，你把發(fā)動機關了，它沖著木星就吸過去了，根本不用管它，根本沒有射程的問題。
其實你拿一個手槍瞄準木星開一槍，這個子彈就會打到木星上面去，到那個時候，因為地球大氣都已經(jīng)被吸過去了，所以射程完全不是問題，真正想在地球上把木星給點燃發(fā)一個洲際導彈是沒有問題的，完全不用讓劉培強犧牲，完全沒有必要。然而還有更好的辦法，在地球上面用激光武器瞄準木星這個點，按鈕一按啪一下就點著了。
有這么強的激光武器嗎？有。為什么呢？前面已經(jīng)交代了，燒石頭產(chǎn)生重核聚變可以推動地球走，燒石頭的前提是要產(chǎn)生非常非常高的溫度。今天我們燒不著石頭，點不著石頭，用火柴跟打火機燒石頭試試，點不著，它要求的溫度非常高，怎樣才能點著，非常高強的激光對著照射才可以。
做人工受控核聚變最基本的要求就是要有強激光。但今天激光還不夠強，點不著石頭，但是電影里面已經(jīng)能用重核聚變發(fā)動機了，所以一定能點著石頭，所以那個時候應該有這么強的激光。但是可能有朋友是杠精，堅持說那個時候是和平時期，有激光是有激光，但不一定有激光武器，而且洲際導彈可能已經(jīng)都銷毀了已經(jīng)開始和平了，大家一塊去流浪了，要這些武器干啥，可能都已經(jīng)沒有了。
那么到底會不會有武器？從地球要去木星，先要經(jīng)過一個地方，叫小行星帶，地球上的恐龍哪去了？科技館有很多的恐龍化石、模型，活的恐龍沒有了，小行星撞擊導致恐龍沒了，一個小行星撞擊恐龍就沒了，再來一次小行星撞擊，人類也沒了。怎么避免小行星撞擊，現(xiàn)在看來比較好的辦法就是用洲際導彈或者是激光武器，當人類計算出某一個小行星很可能要幢地球的時候，發(fā)射一個洲際導彈，或者用強激光武器照射一下，改變它的軌道，讓它和地球擦肩而過就行了。要想從地球到木星，中間要經(jīng)過這個小行星帶，所以必須要攜帶大量的洲際導彈和激光武器才有可能渡過這個難關。而且經(jīng)過了木星這一關，電影上說，終于經(jīng)過了木星，開始正式流浪了，事情就完了嗎？沒完，還有一個外行星帶，外行星帶里小行星更多，所以還要沖出外行星帶才可以，流浪的時候洲際導彈和強激光武器是剛需，帶著這些不是為了對付外星人，是為了對付這些小行星，這樣才能開始真正的流浪。
劉培強：“我覺得我還能搶救一下”
前面講了，我不喜歡把劉培強給弄死，然而電影上有劉培強犧牲的實錘鏡頭嗎？誰也沒看到，也沒開追悼會，所以很可能劉培強沒有真的犧牲，在下一集的時候可以讓他神秘的回來。
特別偉大的科學家霍金先生在去世之前，留下了一個重要的科技遺產(chǎn)，就是“突破攝星”計劃，就是發(fā)射特別多的很小的飛行器，帶著相機飛到流浪的目的地：三體系統(tǒng)去拍攝照片，了解那邊的情況，把那邊的情況偵查清楚。在我們終于躲過了木星這一劫，開始正式流浪之后不久這些照片已經(jīng)傳回來了，我們已經(jīng)搞清楚那個地方的情況了，很可能情況不是像以前想的那樣，在這個過程中，還會遇到很多艱難險阻，劉培強還有好多事情可以做，所以第一集就讓他這么犧牲掉實在不行，一定要把他救回來。如果大家注意的話，這個電影里面從價值觀的角度來講，有一點是不能令人滿意的。在這個里面女性的角色特別弱，竟然沒有一個女英雄出現(xiàn)，當然也沒有英雄救美的情節(jié)出現(xiàn)。所以劉培強要回來，要有一段英雄救美，最后要和這個女英雄一起，不僅是要拯救人類和地球，最后還要把三體系統(tǒng)一起給救了，這樣才是真正的過癮。
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