回到现实，太阳真的会变得特别亮吗？我们能点燃木星吗？

如何评价刘慈欣同名小说改编的电影《流浪地球》？

图片：《流离地球》

若何评价刘慈欣同名小说改编的片子《流离地球》？

狐狸师长教师，研究天文学的狐狸

因为受邀请先看了点映，所以在上映前得以备了回覆。年夜年三十当作文，祝大师新年欢愉。下面回覆原文颁发于腾讯科技。

有剧透，请小心阅读。

在公共看来，科学家往往不是好的科幻片子不雅众，他们会过分注重影片中的科学细节，而不克不及享受故事的乐趣。但我要为此辩护一句，除去片子院，科学家有几多机遇去不雅察一个将来的宿世界呢？更况且，只有优异的科幻片子才会惹人思虑背后的科学问题，蹩脚的科幻片子不外是蹩脚的片子罢了，而《流离地球》毫无疑问是会引起科学工作者思虑的有趣影片。在不雅看片子的过程中，我试着将本身看成一个“片子宇宙”的不雅察者，思虑《流离地球》宇宙不雅中的科学问题。下面我想和大师分享一下我对《流离地球》中几个科学问题的思虑。

太阳的转变

在片子《流离地球》中，太阳亮度的增添是地球不得不背井离乡，远遁太空的原因，但实际宿世界中的太阳，真的会发生如许的转变吗？

绝年夜大都人可能从未想过，有一天太阳会改变。在曩昔的 46 亿年里，太阳一向持续不变地为地球供给能量。这种能量来自于太阳焦点发生的氢元素聚变反映——每 4 个氢原子核经由过程一系列的中心反映最终形当作两个氦原子核。而两个氦原子的质量略小于 4 个氢原子之和，这中心的质量不同按照爱因斯坦的质能方程

$\rm E=mc^2$

，转化当作了太阳的能量。这些能量中的绝年夜部门以光的形式发出，剩下的则由中微子携带。每一秒钟太阳会将六亿吨的氢原子转化为氦原子，发生的能量中有极其细小的一部门被地球领受到，供给地球上的生命所需。

太阳自身有很是不变的调节机制，包管光热的不变输出：若是太阳内部的热核聚变反映因为某种原因略微加快，就会引起内部温度升高。这种升温会使得太阳整体微微地膨胀，从而使得焦点温度和压力答复正常。对于太阳来说，这种调节在很短的时候里就可以完当作。太阳自身发光的不不变水平只有年夜约千分之一（本家儿如果黑子等太阳概况特征转变导致的）造当作的影响远远小于分歧季候带来的不同。宇宙中半斤八两多的恒星做不到像太阳如许不变的调节，例如，我们熟知的猎户座第二亮星——参宿四就会因为不竭地进行膨胀缩短，而在数百天时候里亮度转变跨越 2 倍。

在曩昔的 40 亿年里，太阳的整体亮度上升了年夜约 20%。这种转变对于地球的生命演化发生了主要的影响，可是，在一个单一物种存续的时候（百万年到万万年）里，太阳的转变不会发生显著效应。若是太阳按照物理纪律演化，那么在将来的 10 亿年里，太阳的能量输出将上升 10%，这可能会激发地球上掉控的温室效应。但这长短常长的时候标准，在这之前人类本身激发的全球变暖就会造当作严重的影响。

在《流离地球》的原著中，科学家不雅察到太阳焦点的演化加快了，而且在地球逃离到木星四周时就已改变当作为了一颗红巨星，完全吞噬了金星和水星。从天文学的角度来看，太阳确实会在将来的某个时刻起头标的目的红巨星转化。这是因为太阳焦点的氢元素在聚变燃烧后会转化为临时无法聚变的氦元素，沉积在太阳中间，形当作一个致密的核。当这个致密的核变年夜，原本在太阳焦点发生的氢核聚变燃烧，就改变为在致密的氦核之外发生。这种改变会使得太阳掉去不变性调节机制，能量产出不竭增添，而且体积起头膨胀，变得更红。天文学上称处于这个阶段的恒星为“红巨星”。在这种演化的末期，红巨星中间堆集了足够高的温度，最终会使得氦组成的焦点起头聚变，掉控的氦焦点燃烧会在数秒的短临时间内释放出庞大的能量，这被称作“氦闪”。

在原著中，太阳一向没有发生较着可见的转变，直到氦闪发生。地球之所以火急需要逃离也是因为要遁藏“氦闪”。但在现实的恒星演化图景中，氦闪仅仅是太阳在第一次红巨星演化的终点，早在氦闪发生之前，太阳就已经酿成了很是庞大而且灼热的红巨星了。氦闪因为发生在太阳焦点，现实上地球上的不雅察者也并不会看到像原著一样震撼的爆发现象。在片子版《流离地球》中，太阳的转变已经不像原著中那样戏剧化，变得较为缓和。

不外，请大师务必安心，天文学家今朝对于太阳如许质量的零丁恒星演化领会得半斤八两清晰，无论从理论上仍是不雅测上，都不撑持太阳会在将来的数百年里发生片子中那样的转变。由人类本身造当作的全球变暖问题可能才是实际中地球最年夜的危机。

推进地球的动力

在《流离地球》的故事中，地球的旅途分为四个阶段。起首，经由过程转标的目的引擎，使得地球遏制自转；第二步，地球的推进引擎启动，地球起头离开自身的轨道。因为推进引擎只能供给很小的加快度，地球在逃离太阳之前仍然会绕着太阳转良多圈，慢慢地改变轨道的外形，从圆形轨道酿成一个扁扁的椭圆轨道，最终逃离太阳的引力束厄局促，飞标的目的太空；第三步，地球会用 500 年时候加快到光速的千分之五，也就是 1500 公里 / 秒的速度。地球会用这个速度滑行 1300 年；第四步，在接近目标地时，地球会用另一个 500 年减速，泊入新的太阳的轨道。这个新的太阳就是距离太阳比来的恒星——4.2 光年之外的比邻星。整个过程持续年夜约 2500 年。

牛顿第三心猿意马律告诉我们：若是你标的目的后抛出一些工具，你就会获得标的目的前活动的加快度。若是地球想要逃离太阳，它需要标的目的进步的反偏向丢弃本身一部门的质量。这些被丢弃的物质在被抛出时相对地球的速度越快，地球获得的进步加快度也越多。

固然流离地球的最快速度只有光速的千分之五，但对于人类今朝的手艺能力，依然是一个艰难的挑战。人类今朝最快的宇宙飞船，观光者 1 号当前的速度年夜约是 17 公里 / 秒。流离地球的最终速度会是观光者 1 号的 90 倍。考虑到《流离地球》故事起头的年月距离今天不远，在人类已经进行概念设计的将来火箭能源中，最为可能在《流离地球》时代实现的是核动力引擎。

在第二次宿世界年夜战竣事后不久，美国核物理学家乌拉姆曾提出一个斗胆的飞船设想——操纵原枪弹发生的威力推进飞船进步。在这个蓝图中，太空飞船现实上是标的目的后放出一系列氢弹，让它们在太空中爆炸。在此根本上，泰德·泰勒和弗里曼·戴森提出了闻名的猎户座打算。只要带上一些原枪弹，人类就可以很轻易地将庞大的飞船送到火星。而之后由英国人提出的代达罗斯打算加倍宏伟，以氢聚变为能量源，飞船可以在 50 年的时候里将人类送光临近的恒星——巴纳德。在代达罗斯打算的蓝图中，飞船将携带跨越 5 万吨的氦 3 和氘作为燃料，将一个年夜约 500 吨的飞船送到另一颗恒星。考虑到地球上很难收集到如斯多的氦 3 和氘，代达罗斯打算的设计者们现实上但愿在月球或者木星上开采这些燃料。

对于推进流离地球来说，要想收集到足够推进整个地球的氦 3 和氘则加倍坚苦。影片现实上提到流离地球的推进引擎的能量来历是“重元素聚变”。是的，不仅仅是轻元素可以聚变，事实上，在恒星演化晚期，碳、氮、氧、硅等元素也可以经由过程核聚变转化为更重的元素，并释放能量。对地球来说，最好的燃料应该是氧和硅，它们加起来占了地壳质量的 74%。所以在影片中，我们看到燃料采集车直接挖取山石。在影片的科学设心猿意马下，这些山石可能只需要简单的处置就可以作为引擎的核聚变燃料。

在恒星内部，氧（

$^{16}O$

）有多种聚变体例。最为常见的是两个氧原子核（

$^{16}O$

）聚变发生一个硅原子核（

$^{28}Si$

）和一个氦原子核（

$^4He$

）,同时发生 9.6Mev 能量——大要半斤八两于 2 个氧原子总质量的万分之三。比拟之下，在太阳内部发生的由 4 个氢原子核聚变为一个氦原子的聚变反映出产能量的效率要高得多，可以将肇端的氢原子的千分之七的质量转化为能量。当然，硅和氦也可以进一步地聚变，发生更多的能量，但总的来看，能量释放效率依然不及氢聚变的效率。

若是我们假设氧聚变发生的所有能量，都用来加快产品中的硅, 使其直接喷射出去，那么后者可以达到光速的 3%摆布。我们还记得流量地球最终需要达到光速的千分之五，简单地套用火箭公式来计较地球最终耗损失落的质量，我们会发现地球在加快过程中需要损掉失落本身 20%的质量。这对地球来说可不是一个小事，地球的布局会是以发生显著的转变。不外，经由过程加倍合理地设计地球喷射引擎，用核聚变的能量来发电，并用电磁力驱动轻离子喷射，而非直接喷射核聚变产品，地球将可以把绝年夜大都的质量存留下来。不外，这仍然会永远地改变地球地壳中的元素组成。

不外，不管怎么说，物理学根基心猿意马律尚未阻止人类带着地球离开太阳系。

星际观光是科幻小说长盛不衰的母题，但常见的科幻设建都可以分为两类：上策是操纵“虫洞”或者“空间折叠”来打破爱因斯坦的相对论限制，实现超越光速地观光；下策是经由过程光速飞船来完当作恒星间的迁移。刘慈欣则独辟门路，将地球整体作为飞船。这可以最年夜限度的保留人类的生命，并且所依靠的手艺并未过分超出物理实际。恰是这种高配飞船加低配引擎的组合，制造出了片子中磅礴的排场和悲壮的故事。

为什么要接近木星

《流离地球》影片中，地球在接近木星的过程中，被木星的引力捕捉，发生了灾难性的后果。不外，为什么地球在逃亡的旅途上需要接近木星呢？我想这本家儿如果为了借助木星的引力弹弓效应来进行加快。

下图是我从《安步到宇宙绝顶》中摘取的一个示例图。在起头的时辰，飞船以速度 v 飞标的目的行星，在行星的引力感化下，飞船的飞翔偏向完全改变，速度增添了 2U。这很像是迎着火车进步的偏向扔一个棒球，在碰撞后，棒球完全被反弹回来，而且从火车身上获得了新的动能。在引力弹弓变轨过程中，行星将动能传递给了飞船，而且改变了飞船的速度偏向。

引力弹弓效应早在上宿世纪七八十年月，就被普遍地引用于太阳系的深空探测。这此中最为闻名的当属观光者号的“伟年夜航线(grand tour)”。在 1980 年前后，木星、土星、天王星和海王星形当作一个比力怪异的摆列：它们城市运行到太阳系的统一侧。这种 175 年一遇的特别行星摆列，给了观光者号多次借助行星引力弹弓效应的机遇。观光者 1 号和 2 号得以一次拜候太阳系的好几颗行星，而且可以达到很高的航速，飞出太阳系。

流离地球打算毫无疑问也是想要借助木星的引力弹弓效应来加速速度。不外，和观光者号分歧，流离地球有半斤八两强劲的核动力引擎。借助木星的引力弹弓效应，流离地球可以获得 10km/s 摆布的加快，这比拟于流离地球最终 1500km/s 的航速眇乎小哉。固然，借助木星的引力弹弓，地球可以省几年的航行时候，但考虑到总的流离旅途长达 2500 年，这种风险似乎并不值得。地球也许不需要靠木星那么近，完全可以借助木星进行一个比力暖和的引力加快。事实上只要和木星距离拉开到 30 倍的月地距离，木星在地球上发生的潮汐效应，就和月球对地球的潮汐效应差不多了。

在影片中，地球之所以被木星捕捉，是因为木星俄然呈现了“引力增幅”。需要指出，对于实际物理宿世界来说，一个天体的引力，完全由其质量决议，不会呈现俄然的增添。所以，对于今天的深空探测来说，计较飞船的轨道并不算是难事。除了最初的几回尝试，人类飞翔器在汗青上几乎没有在借助行星引力加快时呈现过重年夜掉误。

点燃木星

在影片的飞腾阶段，地球落标的目的木星。本家儿人公俄然想到：木星年夜气本家儿如果由氢气构成的，而地球年夜气则包含 20%的氧气。为了使地球离开木星的引力，救援队点燃了木星和地球年夜气的夹杂气体，发生了庞大的冲击波，将地球推离了木星。

这个桥段大要是让我最感觉“感受不太对”的处所了。氢和氧气夹杂爆燃，其素质上仍然是化学燃烧。若是说氧的聚变反映可以将氧的质量的万分之三转化为能量。那么氢和氧的化学燃烧过程，只可以将这些燃料质量的百亿分之一转化为能量。

而地球上年夜气层里所有的氧气占地球总质量不外万万分之二。即使地球上所有的氧气都已经和木星夹杂，而且充实燃烧，其燃烧发生的能量完全用于加快地球，地球也只会获得细小的加快度。此外，我们很难等候发生在木星概况的爆炸冲击波有很是切确的指标的目的性，刚好能将能量聚焦在远在数千公里之外的地球身上。乐不雅估量，也许只有百分之几的能量可以用于加快地球。这一点点的推力，是否刚好可以将地球推离木星的引力陷阱呢？在实际宿世界里，我持很是灰心的立场。但也许“无巧不当作书”才是组成传奇的根本吧。

比邻星是否是合适的家园

流离地球的目标地是比邻星。比邻星是距离地球比来的恒星，但很难说它是一个抱负的新家园。最年夜的问题在于：比邻星过于暗淡，只有太阳质量的十分之一，勉强达到焦点发生核聚变的尺度。如许的恒星会揭示出很年夜的不不变性，表示在高频率的恒星耀斑爆发。太阳也会有耀斑爆发，在很短的时候里标的目的宇宙空间释放年夜量能量，而且伴以年夜量的物质抛射。在耀斑强烈的时辰，地球上的无线电通信会受到其干扰，但不会对人类糊口造当作太年夜的影响。但在比邻星轨道，这种耀斑爆发有可能造当作灾难性后果。这是因为比邻星过分暗淡，地球若是要想充实领受比邻星的能量，让冰冻的海洋融化，需要很是接近比邻星，其轨道距离只有今朝日地距离的 1/20。一旦耀斑爆发，地球因为距离更近，也将受到更年夜的影响。在 2018 年，科学家报道了比邻星在 2016 年的一次超等耀斑爆发，从地球上不雅察，比邻星在耀斑爆发时亮度比起日常平凡增添了 68 倍。地球若是泊入如许的恒星轨道，在耀斑爆发时，地球生态圈可能受到扑灭性冲击。

别的，比邻星处于一个三合星系统。和比邻星相邻的两颗恒星却是和太阳很近似，可是它们之间的距离很是近。若是地球进入任何一颗恒星的轨道，不免不受到另一颗恒星的引力影响，很难处于不变状况。如许看来，比邻星也许只能作为流离地球的一个半途补给站。地球可以在这里获得燃料弥补，但无法将这里当做久居之地。

在太阳临近的 5 秒差距（年夜约 16 光年）内有 52 颗恒星，这些恒星都可以作为流离地球最终的备选之地。例如，距离太阳 12 光年的 Tau Ceti 也许就是一个不错的选择，其亮度大要是太阳的一半，并且看起来很是不变。这颗恒星今朝已经被发现拥有 5 颗行星，此中一颗甚至可能有适宜的温度，可以撑持液态水存在。

我真切地但愿，在流离地球的旅途中，结合当局不要健忘帮助天文学家的工作，他们的研究必然会为地球最终家园的选择供给靠得住的资料。