《流浪地球》:停止自转的地球真能去流浪吗

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在大家的期盼当中,中国第一部科幻电影《流浪地球》终于在大年初一上映了,它在之前的点映当中就饱受赞誉。这部影片是根据刘慈欣的同名科幻小说《流浪地球》改编而来。讲述了太阳即将死亡,即将进入红巨星的膨胀阶段,地球即将被膨胀的太阳大气所淹没。在人类命运即将面临存亡的关头,人类联合政府做出了一项决定,将地球作为一个庞大的飞船驶离现有轨道,驶向距离我们最近、4.2光年的比邻星。

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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。

尽管计划所需时间极为漫长,然而小说也仅仅横跨百年,以一个人的一生作为背景,描述了人类在地球离开太阳系过程中的各种境况。作为电影,它更是仅仅展现了一个极短的场景,也就是上面所讲的后流浪阶段。地球在利用木星实现引力弹弓加速的时候,因为行星发动机的失效,地球被木星所吸引,彼此距离不断减小。为了避免地球撞毁到木星上,在尝试了一系列的地面方法失败之后,地面上的救援队想出利用行星发动机喷出的高能气体流来点燃木星大红斑的方法,以期望产生的超强冲击波将地球推开。不过最终因为行星发动机的的动力不足,还是依靠中国宇航员刘培强最后将太空站点燃在离子流上,补足了能量,从而使得大红斑被成功点燃,释放出超强的冲击波,地球被成功挽救,继续开启了驶向比邻星的流浪旅途。

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我有幸之前受邀去导演工作室观摩,并且在电影上映当日在影院观看。电影院里将影片当中的特效展现的淋漓尽致,让我完全沉浸其中并且为不少场景所感动。电影以非凡和逼真的特技效果,再现了地球在流浪过程当中所遭遇的世界末日的恢弘场景。整部片子从特效上而言,已经堪比好莱坞大片,故事情节也是有松有驰,紧张之中也不乏一些轻松有趣的对话。作为中国科幻第一片,的确大大超出我们的预期。此部电影被定义为硬科幻,肯定是包含有不少的科学成分。比如太阳在燃烧完最中心的氢之后,因为燃烧中心周为氦而产生更多热量,从而发生膨胀,这一点就已经为很多人所熟知,完全符合我们我们的科学认识,而流浪地球就是发生在这样的背景之下。距离我们最近的就是比邻星,这也是符合我们的认识,而且刘慈欣的小说《三体》也是以比邻星为背景的,就是因为它是一个三体恒星系统。

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整个电影的场景是发生在地球脱离原有轨道之后。在电影当中,因为地球远离太阳,接收到的太阳能量减少,所以地球表面温度急剧下降,所以我们看到的人类都已经转入地下生活,而地面上的城市保持完整,不过都已经被冰冻起来,成为了一个冰雪世界。

整部电影涉及到非常多的天文知识,今天,让我们就以科学的角度,选取电影当中提及的几个场景,深入审视看其看是否符合科学的原理。

人类是否能够让地球停止转动?

在“流浪地球计划”中的第一步就是首先让地球停止转动,尽管在电影中没有直接展现这一场景,但是电影当中的旁白中有所提及,让我们就先来看一下这个停止转动是否可以实现。

在直接回答这个问题之前,我们先了解一下地球的转动能量的多少。关于能量的多少,我们很容易的从网络上搜索到,地球的转动能是2.24E29焦耳,这个能量是非常的巨大。让我们做一个简单的对比,从而可以更加清楚地看到这个能量巨大,一个原子弹释放出来的能量差不多相当于1百万个TNT当量,或者就相当于是4.2E15焦耳,而历史上曾经实验过的释放能量最强的大伊万氢弹,释放的能量差不多是5000万TNT当量,或者就是2.1E17焦耳,然而相比较地球的转动能量,还是小巫见大巫了,大约相当于1万亿(1E12)个大伊万的氢弹同时爆炸。

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不过或许在不远的未来,人类如果能够熟练掌握了重核聚变能力的话,产生的能量的能力将极大提高。按照电影所说,每个行星发动机通过重核聚变能够产生150万亿吨的推力(而现在的航天飞机的推力大约在2000万牛顿,也就是未来的推力大约是现在推力的100亿倍)。那让我们来利用这个估算一下应用到地球质量上,所以很容易地就知道产生的加速度是0.000000025 (或者2.5E-8)米/秒2。在赤道附近的转动速度大约就是每秒460米。对于一个发动机而言,如果能够持续不断的产生反推力,那么也需要218569天(大约600年)的时间才能够让地球停止。不过按照电影所言,在这一万个行星发动机当中有一部分是位于赤道之上用于减速的,如果数量可以达到100左右的话,那么就可以在相对比较短的用来停止地球转动。不过必须要求这些发动机是持续不断并且提供相同的反推力。所以我们看到这个难度可是非常的高,对于地球人类几乎是不太可能做到的事情。

一旦地球停止转动,地球将会发生什么?

如果地球一旦停止转动,那么地球上将会发生什么样的变化呢?或许你会想着,地球不是类似于物理学当中的刚体么,难道没有了转动,就会发生很巨大的变化么?

最直接的一个效应就是没有了转动,目前地球上几乎所有的大陆都会被海洋所淹没,这一点的确在电影当中有所提及,原因很简单。在地球转动的时候,因为离心力的缘故,作为液态的海洋会朝向赤道附近聚集,所以一旦地球停止转动,这些水会向两极流动,从而造成大陆被淹没。根据美国ESRI公司的动画模拟,最终几乎所有的大陆都会被淹没,只剩下赤道附近的一圈超级大陆凸显出来,如果人类要想继续在大陆上生存下去的话,这将会是唯一的一个希望,不过在电影当中,人类是移居到了地下生活。

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值得指出的是,即使对于赤道附近的唯一大陆,也是充满了很多危险。在转动的时候,同样是因为离心力的作用,地球的赤道地壳会显得更为突出一点,然而在没有转动的时候,那么赤道附近缺少离心力,所以很可能会导致板块坍缩,从而引发一系列的全球地震或者海啸。所以我们将很难看到那些完整保持的城市,而且在地面上修建的那些行星发动机或者就很难存在了,居住在地下或许也非常困难的。

因为没有了转动,所以地球将会有固定的一面朝向太阳,另外一面而将一直处于黑夜当中,就仿佛我们在南极或者北极所经历的极昼或者极夜那样。尽管有地球大气的存在,但是远离太阳的一面,还是会因为长期得不到太阳的照射,从而温度变得很低,不太适合生命的存在。

尽管我们对于磁场的产生机制并不是非常的清楚和确定,一种流行的说法就是因为地球外壳层和内核之间的转速不同导致的。如果地球自转停止,而且两个区域都停止,那么地球磁场有可能会突然消失。通常情况下,地球磁场的存在,它不仅仅能够为我们指明南北方向,更重要的是磁场起到了保护作用,能够将来自于太阳的带电粒子屏蔽于地球大气之外,从而太阳粒子很难直接穿过磁场,直接进入低层大气,保护了地球大气层不会丢失掉。不过这些带电粒子会沿着磁力线向两极运动,带电粒子最终与大气中的粒子相互作用,使得粒子发生激发,从而产生我们所看到的极光。而没有了磁场,太阳风能够不受任何阻碍,长驱直入进入地球大气,从而在全球各个地方形成我们所说的极光,不过更为重要的是,地球大气有可能逐渐损失掉。我们目前已经知道,现在的火星大气目前仅仅是地球大气质量的百分之一,然而在三四十亿年之前,火星也像目前的地球一样,有着海洋,有着浓厚的大气,非常温暖,非常适合生命的居住。然而就是因为后来火星整体磁场的消失,在太阳风的冲击之下,火星大气就逐渐逃逸到了太空当中,越来越少。如果地球没有了磁场,那么我们的地球也将经历这样的遭遇。目前,正是地球的磁场保护了我们人类,使得我们免受太阳风的冲击。

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电影当中展现了一个被冰雪封冻但保存完整的世界,所以我们通过上面的分析看到,如果我们能够让地球逐渐停止,那么其实在地球逐渐停止的过程当中,地球已经就发生了巨大的变化,城市建筑早已经在地壳的变化过程当中不复存在了,完全不是电影当中所展现的那样。

脱离木星引力的方法合理吗?

整部电影所展现的一个主题就是如何摆脱木星的“刚性洛希极限“点。这其实就是“流浪地球计划”的第三个“先流浪阶段“。这里我们需要明白地球驶入木星周围的原因。木星引力是如此之强,为何地球不躲着木星行驶?其实在电影当中,联合政府本来想通过一种叫做引力弹弓(gravitational slingshot)的效应,使用木星对地球进行加速,没想到部分行星发动机失效,导致地球被木星吸引而逐渐进入木星的刚体洛希极限,出现了电影当中所呈现的灾难。其实引力弹弓效应在探测器飞行中被广泛使用,通常被当做一种节省能源的加速方式,旅行者一号就是利用木星和土星两次引力加速,才得以逃出太阳系。

这个效应的原理其实非常简单,因为行星本身也在围绕太阳转动,所以当行星吸引探测器或者其它天体的同时,就实际上赋予了探测器或者其它天体一部分速度,当探测器或者其它天体逃离出去的时候,就相当于被加速了。我们可以举一个简单的类似例子来理解。如果我们站在静止的地面上向运动的火车顶上扔一个网球,在网球被弹起来的时候,地面上静止的人看到网球的速度,其实就是火车速度和网球原来速度的叠加。所以当天体从某个行星周围逃离的时候,其实就是本来的速度和天体速度的叠加。

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接下来我们再来简单解释一下电影中出现的另外一个烧脑名词:刚体洛希极限。简单说来,就是一个类似地球的岩质天体被木星的潮汐力撕碎的极限半径。因为距离木星很近,在靠近木星和远离木星的地球表面上会感受到不一样的木星引力,我们把这种力的差别称之为潮汐力。我们可以想象一下,距离木星越来越近的情况下,这种潮汐力会变得越大。在靠近木星一定距离时,大到一定程度时,整个地球就会被撕裂,这个特殊的临界距离被科学家们称之为刚体洛希极限。所以我们可以想象,一旦地球跨过了这个点之后,地球会被粉碎,地球上的人类肯定无一生存,流浪地球的计划也将随之破灭。而按照电影当中所言,这也是为什么联合政府看到地球即将跨过洛希极限点的时候,就已经打算放弃地球,而保留了太空站,让太空站成为人类文明生存的诺亚方舟。

接下来再让我们看一下电影当中让地球摆脱木星引力的场景:在地球即将进入木星的洛希极限点之前,地面上的救援队试图用所有行星发动机的能量集中到其中一个,然后去喷射点燃木星的大红斑,不过因为部分发动机没有完全工作,所以总共7万公里的距离还差5000公里才能得以点燃。在这涉及地球存亡的紧急关头,吴京所扮演的宇航员刘培强驾驶着空间站在粒子流当中爆炸,空间站携带的巨大能源弥补了行星发动机的能量不足,最终木星大红斑被成功点燃,产生剧烈的冲击波,这股来自于木星的气体巨浪将地球从木星周围推走,避免了被木星引力撕碎的危险。木星大红斑中的氢可能被点燃吗?木星的气体冲击波真可能将地球推走吗?简单的答案就是这两个情形都不太可能发生。如果要想让大红斑中的氢燃烧,需要地球有充分的氧气混合。不是被木星吸积的地球大气中包含有大量氧气么?但是需要知道,即使包含有氧气的地球大气在吸积到木星表面的时候,因为时间很很短,也不会和氢气均匀混合,所以产生大规模燃烧的可能性非常小。假若可以燃烧发生爆炸,产生非常强的冲击波,也不太可能对地球本身产生极大的影响。我们首先需要知道这个冲击波是什么?其实就是高速运动的气体粒子,非常类似于来自于太阳的巨型爆发产生的太阳风。依靠燃烧氢气释放能量并不是一个有效的加速气体的很好方式,最终的速度不一定有太阳风的速度快。即使快很多,当这些高速运动气体抵达地球时,地球因为有磁场的保护,通常这些气体并不会直接打到地球表面。即使这些粒子能够穿透磁场,其实更多的作用将会是地球大气的中的粒子相互作用,产生非常壮观的极光现象,并不会产生很强的推力。这个冲击波在一定程度上非常类似我们常说的一句俗语:蚍蜉撼大树——自不量力。不过,如果所谓的冲击波很强的话,地球大气倒是很有可能被冲击波部分剥离掉的。

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当然地球在太空流浪的征途之后也并非一番风顺,逃离木星洛希极限点也仅仅是万里征途当中所碰到的一个小插曲而已,在前往比邻星的路途当中,还有很长的距离等待着地球去走。木星轨道之外,有着包含冥王星的小行星带,俗称柯伊伯带之外,最外层还有一个呈现为球形的奥尔特星云,这些区域都布满了大小不一、密密麻麻的小行星,而且这些区域的尺度非常大,尤其奥尔特星云一直可以延伸到大约比邻星距离的一半,所以地球在抵达比邻星之前,如何安全地经过这些小行星带,如何避免被小行星不断相撞也是很有挑战的。即使人类的技术能够顺利抵达比邻星,根据科学家的研究发现,比邻星的周围并不适合生命的居住。比邻星的质量只有地球质量的七分之一,所以适合生命发展的宜居区也是距离中心恒星很近,剧烈的爆发有可能会将存在的生命杀死。而且在2016年的时候,科学家们在比邻星周围已经发现了一个位于宜居区内的行星,所以到时如何让比地球精确的存在于宜居区的另外一个轨道上,而不与现有行星相撞,对于地球人类也是极大的挑战。

无论如何,地球的流浪之路会是非常艰辛。不过我们需要知道,在整个人类面临危机的时候,将地球整个当做一个飞船移走,是一个非常大胆且富有想象的想法,尽管从科学的角度来看,在可以预见的时期内,人类的能力无法实现。不过电影作为一门艺术,它不完全是生活或者科学的完全再现,所以尽管这部电影当中包含了许多不科学的想象,但是依旧需要我们为之鼓掌。科学是人类进步的动力,而想象则为人类进步指明了方向。作为中国第一部科幻大片,让我们先去享受《流浪地球》电影带给我们的欣喜。

中国的科幻电影之路,也如中国的科学发展之路,路漫漫其修远兮,还需大家共同努力。(图片由编辑所加,来源于网络)

出品| 新浪科技《科学大家》

撰文| 苟利军 中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学天文学教授

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