停止自轉(zhuǎn)的地球真能去流浪嗎?

茍利軍

在大家的期盼中，中國第一部真正意義上的硬核科幻電影《流浪地球》終于在春節(jié)期間上映了。這部影片是根據(jù)劉慈欣的同名科幻小說《流浪地球》改編而來，講述了太陽即將死亡、即將進(jìn)入紅巨星的膨脹階段，地球即將被膨脹的太陽大氣所淹沒，在人類面臨生死存亡的關(guān)頭，人類聯(lián)合政府做出了一項(xiàng)決定，將地球作為一艘龐大的飛船駛離現(xiàn)有軌道，駛向距離我們最近、4.2光年的半人馬座比鄰星。

從地球原有軌道到遙遠(yuǎn)的比鄰星，按照小說而言，這是一場(chǎng)長達(dá)2500年、需要100代人才能完成的恢弘計(jì)劃，它分為了5個(gè)階段——?jiǎng)x車階段：憑借赤道上的行星發(fā)動(dòng)機(jī)的巨大推力，使地球停止自轉(zhuǎn);逃逸階段：全功率開動(dòng)行星發(fā)動(dòng)機(jī)，使地球加速駛出太陽系;先流浪階段：利用太陽和木星完成最后的加速，駛向人類選定的新家園;后流浪階段：駛出太陽系后，行星發(fā)動(dòng)機(jī)全功率開啟，利用500年的時(shí)間將地球加速到光速的5%0，然后滑行1300年，再調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，利用700年時(shí)間進(jìn)行減速;新太陽時(shí)代：地球泊入比鄰星軌道，成為比鄰星的衛(wèi)星。

這部電影被定義為硬科幻，其中包含有不少的科學(xué)成分。比如太陽在燃燒完最中心的氫之后，因?yàn)橹車臍湓剡M(jìn)一步發(fā)生聚核反應(yīng)而產(chǎn)生熱量，從而使太陽發(fā)生膨脹，這一點(diǎn)已經(jīng)為很多人所熟知，完全符合我們的科學(xué)認(rèn)識(shí)，而流浪地球就是發(fā)生在這樣的背景之下。距離太陽系最近的恒星就是比鄰星，這也符合我們的認(rèn)識(shí)，而且劉慈欣的小說《三體》也是以比鄰星為背景的。

整部電影涉及到非常多的天文知識(shí)，今天，就讓我們從科學(xué)的角度，選取電影當(dāng)中提及的幾個(gè)場(chǎng)景，深入審視看其是否符合科學(xué)的原理。

問題1：

人類是否能讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)？

“流浪地球”計(jì)劃中的第一步就是讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，盡管在電影中沒有直接展現(xiàn)這一場(chǎng)景，但是電影的旁白中有所提及，我們就先來看看這是否可以實(shí)現(xiàn)。

在直接回答這個(gè)問題之前，我們先了解一下地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能量有多少。關(guān)于這個(gè)數(shù)值，我們可以從網(wǎng)絡(luò)上搜索到，地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能是2.24×10²⁹焦耳，這個(gè)能量是非常巨大的。讓我們做一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比，可以有更加直觀的了解。一顆原子彈釋放出來的能量差不多是100萬噸TNT當(dāng)量，或者相當(dāng)于4.2×10¹⁵焦耳，而歷史上曾經(jīng)實(shí)驗(yàn)過的釋放能量最強(qiáng)的大伊萬氫彈，釋放的能量差不多是5000萬噸TNT當(dāng)量，相當(dāng)于2.1×10¹⁷焦耳，然而相比較地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能量，還是小巫見大巫了，后者大約相當(dāng)于1萬億顆大伊萬氫彈同時(shí)爆炸。

不過或許在不遠(yuǎn)的未來，如果人類熟練掌握了重核聚變能力的話，產(chǎn)生能量的能力將極大提高。按照電影所說，每臺(tái)行星發(fā)動(dòng)機(jī)通過重核聚變能夠產(chǎn)生150萬億噸的推力，那讓我們結(jié)合地球質(zhì)量來進(jìn)行一下估算，可以知道產(chǎn)生的加速度大約是0.00000025米/秒2，在赤道附近的轉(zhuǎn)動(dòng)速度大約就是460米/秒。對(duì)于一臺(tái)行星發(fā)動(dòng)機(jī)而言，即使能夠持續(xù)不斷地產(chǎn)生反推力，那么也需要21857天（大約60年）的時(shí)間才能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)。不過按照電影所言，在這1萬臺(tái)行星發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中，有一部分是位于赤道之上用于減速的，如果數(shù)量可以達(dá)到100臺(tái)左右的話，那么就可以在相對(duì)比較短的時(shí)間內(nèi)讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)。不過前提條件是，這些發(fā)動(dòng)機(jī)必須持續(xù)不斷工作并且提供相同的反推力。所以這個(gè)難度可是非常的高，對(duì)于人類而言，幾乎是不太可能做到的事情。其實(shí)這里面還有一個(gè)很大的問題，如果行星發(fā)動(dòng)機(jī)真能夠產(chǎn)生這么大的推力的話，地殼本身也承受不了如此大的推力，會(huì)被撕裂。問題2：

如果地球真不轉(zhuǎn)了，將會(huì)發(fā)生什么？

如果地球真的停止轉(zhuǎn)動(dòng)，那么地球上將會(huì)發(fā)生什么樣的變化呢？

最直接的一個(gè)后果，就是目前地球上幾乎所有的大陸都會(huì)被海洋所淹沒。這一點(diǎn)的確在電影當(dāng)中有所提及，原因很簡(jiǎn)單，在地球轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，因?yàn)殡x心力的緣故，作為液態(tài)的海洋會(huì)朝向赤道附近聚集，所以一旦地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這些水會(huì)向兩極流動(dòng)，從而造成大陸被淹沒。根據(jù)美國ESRI公司的動(dòng)畫模擬，最終幾乎所有的大陸都會(huì)被淹沒，只剩下赤道附近的一圈超級(jí)大陸凸顯出來，如果人類想要繼續(xù)在大陸上生存下去的話，這將會(huì)是唯一的希望，不過在電影當(dāng)中，人類是移居到了地下生活。

需要指出的是，即使對(duì)于赤道附近的唯一大陸，也是充滿了很多危險(xiǎn)。在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，同樣是因?yàn)殡x心力的作用，地球的赤道地殼會(huì)顯得更為突出一點(diǎn)，然而在沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，因?yàn)槌嗟栏浇鄙匐x心力，所以很可能會(huì)導(dǎo)致板塊坍縮，從而引發(fā)一系列的全球地震或者海嘯。這樣一來，不僅修建在地面上的那些行星發(fā)動(dòng)機(jī)將很難存在，而且人們想居住在地下也是非常困難的。

因?yàn)闆]有了轉(zhuǎn)動(dòng)，地球一天的時(shí)間將會(huì)變得極為漫長，將會(huì)等同于地球圍繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)一年的時(shí)間，一年看到一次日出和日落，幾乎有一半的時(shí)間一直處于白天，而另外一半時(shí)間一直處于黑夜當(dāng)中，就仿佛我們?cè)谀蠘O或者北極所經(jīng)歷的極晝或者極夜那樣。盡管有地球大氣的存在，但是遠(yuǎn)離太陽的一面，還是會(huì)因?yàn)殚L期得不到太陽的照射，從而溫度變得很低，不太適合生命的存在。

盡管我們對(duì)于磁場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)制并不是非常清楚和確定，一種流行的說法就是因?yàn)榈厍蛲鈿雍蛢?nèi)核之間的轉(zhuǎn)速不同導(dǎo)致的。如果地球自轉(zhuǎn)停止，而且兩個(gè)區(qū)域都停止，那么地球磁場(chǎng)有可能會(huì)突然消失。通常情況下，地球磁場(chǎng)不僅能夠?yàn)槲覀冎该髂媳狈较颍匾氖谴艌?chǎng)起到了對(duì)地球的保護(hù)作用，能夠?qū)碜杂谔柕膸щ娏Ｗ悠帘斡诘厍虼髿庵?，讓太陽粒子很難直接穿過磁場(chǎng)進(jìn)入低層大氣，也就保護(hù)了地球大氣層不會(huì)丟失掉。不過這些帶電粒子會(huì)沿著磁力線向兩極運(yùn)動(dòng)，最終與大氣中的粒子相互作用，使得粒子發(fā)生激發(fā)，從而產(chǎn)生我們所看到的極光。我們已經(jīng)知道，現(xiàn)在的火星大氣僅僅是地球大氣質(zhì)量的1%，而在三四十億年前，火星也像目前的地球一樣，有著海洋，有著濃厚的大氣，非常溫暖，非常適合生命居住。然而就是因?yàn)楹髞砘鹦谴艌?chǎng)的整體消失，在太陽風(fēng)的沖擊之下，火星大氣逐漸逃逸到了太空當(dāng)中，火星才變成了如今的模樣。如果地球沒有了磁場(chǎng)，那么我們的地球也將經(jīng)歷這樣的遭遇。

在電影中，觀眾看到了一個(gè)被冰雪封凍但保存完整的世界，但是我們通過上面的分析可以得知，如果我們真的能夠讓地球逐漸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，那么在這一過程中，地球其實(shí)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，城市建筑早已經(jīng)在地殼的變化過程中不復(fù)存在了，完全不是電影當(dāng)中所展現(xiàn)的那樣。

問題3：

脫離木星引力的方法合理嗎？

整部電影所展現(xiàn)的一個(gè)主題，就是如何擺脫木星的剛體洛希極限點(diǎn)。

在這里，我們需要先明白地球駛?cè)肽拘侵車脑?。木星引力是如此之?qiáng)，為何地球不躲著木星行駛？其實(shí)在電影當(dāng)中，聯(lián)合政府本來想通過一種叫做引力彈弓的效應(yīng)，利用木星對(duì)地球進(jìn)行加速，沒想到部分行星發(fā)動(dòng)機(jī)失效，導(dǎo)致地球被木星吸引而逐漸進(jìn)入木星的剛體洛希極限，從而出現(xiàn)了電影中的災(zāi)難。

引力彈弓效應(yīng)在探測(cè)器飛行中被廣泛使用，通常被當(dāng)成一種節(jié)省能源的加速方式，美國發(fā)射的“旅行者一號(hào)”就是利用木星和土星兩次引力加速，才得以逃出太陽系。這個(gè)效應(yīng)的原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樾行潜旧硪苍趪@太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在行星吸引探測(cè)器或者其他天體的同時(shí)，實(shí)際上就賦予了探測(cè)器或者其他天體一部分速度，當(dāng)探測(cè)器或者其他天體逃離出去的時(shí)候，就相當(dāng)于被加速了。我們可以舉一個(gè)簡(jiǎn)單的類似例子來理解。如果我們站在靜止的地面上向運(yùn)動(dòng)的火車頂上扔一個(gè)網(wǎng)球，在網(wǎng)球被彈起來的時(shí)候，地面上靜止的人看到的網(wǎng)球的速度，其實(shí)就是火車速度和網(wǎng)球原來速度的疊加。所以當(dāng)天體從某個(gè)行星周圍逃離的時(shí)候，其實(shí)就是兩種速度的疊加。

接下來，我們?cè)賮斫忉屢幌码娪爸谐霈F(xiàn)的燒腦名詞：剛體洛希極限。簡(jiǎn)單說來，這就是一個(gè)類似地球的巖質(zhì)天體被木星的潮汐力撕碎的極限半徑。因?yàn)榫嚯x木星很近，在靠近木星和遠(yuǎn)離木星的地球表面上會(huì)感受到不一樣的木星引力，我們把這種力的差別稱為潮汐力。距離木星越近，這種潮汐力就會(huì)變得越大，當(dāng)潮汐力大到一定程度時(shí)，整個(gè)地球就會(huì)被撕裂，這個(gè)特殊的臨界距離就被科學(xué)家們稱為剛體洛希極限。所以我們可以想象一下，一旦地球跨過了這個(gè)點(diǎn)，地球會(huì)被粉碎，地球上的人類肯定無一生存，“流浪地球”計(jì)劃也將隨之破滅。而按照電影當(dāng)中所言，這也是為什么聯(lián)合政府看到地球即將跨過洛希極限點(diǎn)的時(shí)候，就已經(jīng)打算放棄地球而保留太空站，讓太空站成為人類文明延續(xù)的諾亞方舟。

不過，我們計(jì)算過木星一地球的剛體洛希極限點(diǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這個(gè)半徑要比木星的半徑還要小，所以預(yù)期中的地球撕裂現(xiàn)象并不會(huì)發(fā)生，最主要的原因是因?yàn)槟拘菦]有地球那么致密。

再讓我們回顧一下電影當(dāng)中地球擺脫木星引力的場(chǎng)景：在地球即將進(jìn)入木星的剛體洛希極限點(diǎn)之前，地面上的救援隊(duì)試圖將所有行星發(fā)動(dòng)機(jī)的能量集中到其中一個(gè)，然后去噴射點(diǎn)燃木星的大紅斑，但是因?yàn)椴糠职l(fā)動(dòng)機(jī)沒有完全工作，所以沒能成功。在這緊急關(guān)頭，吳京扮演的宇航員劉培強(qiáng)駕駛著空間站在粒子流當(dāng)中爆炸，空間站攜帶的巨大能源彌補(bǔ)了行星發(fā)動(dòng)機(jī)的能量不足，最終木星大紅斑被成功點(diǎn)燃，產(chǎn)生劇烈的沖擊波，這股來自于木星的氣體巨浪將地球從木星周圍推走，避免了被木星引力撕碎的危險(xiǎn)。

木星大紅斑中的氫可以被點(diǎn)燃嗎？木星的氣體沖擊波真的能將地球推走嗎？簡(jiǎn)單的答案就是這兩個(gè)情形都不太可能發(fā)生。如果要想讓大紅斑中的氫燃燒，需要有充分的氧氣混合，即使包含大量氧氣的地球大氣被吸積到木星表面，但因?yàn)闀r(shí)間很短，也不會(huì)和氫氣均勻混合，所以產(chǎn)生大規(guī)模燃燒的可能性非常小。而且，就算可以燃燒發(fā)生爆炸，能產(chǎn)生非常強(qiáng)的沖擊波，也不太可能對(duì)地球本身產(chǎn)生極大的影響。因?yàn)闆_擊波其實(shí)就是高速運(yùn)動(dòng)的氣體粒子，非常類似于來自太陽巨型爆發(fā)產(chǎn)生的太陽風(fēng)，即使這些氣體粒子直接作用于地球表面，也并不會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的推力，在一定程度上非常類似我們常說的一句俗語：蚍蜉撼大樹—一自不量力。

當(dāng)然，在此之后，地球在太空流浪的征途也并非一帆風(fēng)順，逃離木星的剛體洛希極限點(diǎn)也僅僅是萬里征途中碰到的一個(gè)小插曲。木星軌道之外，有著包含冥王星的小行星帶，最外層還有一個(gè)呈現(xiàn)為球形的奧爾特星云，這些區(qū)域布滿了大小不一、密密麻麻的小行星，而且這些區(qū)域的尺度非常大，尤其是奧爾特星云，一直可以延伸到大約比鄰星距離的一半。所以在抵達(dá)比鄰星之前，地球如何安全地經(jīng)過這些小行星帶，如何避免被小行星不斷撞擊，也是很有挑戰(zhàn)的。

即使人類的技術(shù)能夠順利抵達(dá)比鄰星，根據(jù)科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，比鄰星的周圍并不適合生命居住。比鄰星的質(zhì)量只有太陽質(zhì)量的1/7，所以適合生命發(fā)展的宜居區(qū)也就距離中心恒星很近，中心恒星劇烈的爆發(fā)有可能會(huì)將存在的生命殺死。而且在2016年的時(shí)候，科學(xué)家在比鄰星周圍已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)位于宜居區(qū)內(nèi)的行星，所以到時(shí)如何讓地球精確地存在于宜居區(qū)的另外一個(gè)軌道上，而不與現(xiàn)有行星相撞，那也是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

無論如何，地球的流浪之路會(huì)是非常艱辛。不過我們需要知道，在所有人類面臨危機(jī)的時(shí)候，將地球整個(gè)兒當(dāng)成一艘飛船移走，是一個(gè)非常大膽且富有想象力的想法，盡管從科學(xué)的角度來看，在可以預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，人類的能力無法實(shí)現(xiàn)。不過電影作為一門藝術(shù)，它不是生活或者科學(xué)的完全再現(xiàn)，所以盡管這部電影中包含了許多不科學(xué)的想象，但是我們依舊要為之鼓掌?？茖W(xué)是人類進(jìn)步的動(dòng)力，而想象則為人類進(jìn)步指明了方向，讓我們先去享受電影《流浪地球》帶給我們的欣喜吧。

（責(zé)任編輯：白玉磊 責(zé)任校對(duì)：司明婧）