[太空探索]电影《流浪地球》中的10个科学问题

全民科学素质行动科学教育专栏

01

飞船派还是流浪派？

在《流浪地球》里面，由于飞船的容量非常有限，而且飞行旅途非常漫长，要在飞船上建设一个生态系统，规模很有限。所以，电影中认为最好的办法是带着地球去流浪。然而，地球在流浪的过程中将逐渐远离太阳，地球表面的温度将降至-200℃以下，生态系统遭到彻底破坏，绝大部分物种将遭遇大灭绝，基本上不可能恢复。所以即便带着地球到了比邻星，实际上也只是带了一个石球而已，意义非常有限。

在太阳系中，火星的环境与地球最为相似。在火星上，利用本地资源建设一个密闭生态系统，相比推着地球去流浪，技术上要容易得多。人类已经具备了火箭和飞船的重复利用技术，进入太空的成本将大幅下降。如果先把人运送到太空中的空间站，再从空间站大规模地运送到火星上，建立地球到火星往返运输的廉价航线，比起流浪地球更为可行。

02

为什么烧石头可以产生能量？

电影中，行星发动机的主要燃料是石头，烧石头为什么会产生能量呢？实际上，这里说的是重核聚变反应。地球岩石中的主要成分是硅酸盐矿物，包括氧、硅、铝、镁、铁等元素。这些元素的原子核已经很大了，理论上虽然还能发生核聚变，但这种以重元素为原料的核聚变，目前还无法实现，而且反应条件苛刻，产生的能量更小。

03

地球在流浪过程中将穿越哪里？

地球将先抵达火星轨道，然后穿越火星和木星之间的小行星带，之后抵达木星进行加速，再穿越土星轨道、天王星轨道、海王星轨道，抵达太阳系的新大陆柯伊伯带时，地球会碰到冥王星，还会碰到很多柯伊伯带的小天体。再接着，地球将穿越长周期彗星的发源地——奥尔特云，进入广袤的星际空间。

在此过程中，地球上能够接收到的光照越来越少，抵达冥王星轨道时，光照强度不到现在地球上的千分之一，比黑夜还要黑得多，所有直接或间接依赖光合作用生存的生物都将消失。没有生态系统其他成员的支持，人类基本不可能独立生存下来。

04

太阳啥时候发生氦闪？

太阳主要的能量来源是氢原子在高温高压下发生核聚变。当氢原子转变成氦原子后，由于氦原子比氢原子更重，因此不断聚集在太阳的内核。氦被压缩后，温度就会升高，太阳会变得更亮。太阳现在的亮度比它刚形成时亮了30%左右。当太阳中心累积的氦越来越多，产生的高温将使太阳外部发生膨胀，形成红巨星，一直膨胀到地球现在所在的轨道。

在红巨星阶段，太阳将经历非常短暂的失控热核聚变，2个氦原子核聚变形成铍原子核，铍原子核极不稳定，又可以进一步聚变形成碳原子核。氦的核聚变过程，相比氢的核聚变过程要短暂得多，因此被称为氦闪。氦闪一般发生在像太阳这样的中等质量恒星的核心或白矮星表面，堆积的氦突然开始核聚变，产生巨大的能量。

氢原子核的聚变过程十分缓慢，太阳形成至今已经有50亿年，还可以继续“燃烧”近50亿年，而人类诞生至今只有10万年。

05

地球停止自转会有什么后果？

在《流浪地球》中，为了将行星发动机的能量全部转化为推动地球加速的推力，让地球停止了自转。那么，停止了自转之后，地球上会发生什么呢？这个问题很难回答，只能作一些推测。

首先，月球引力对地球自转有牵制作用，地球的自转速度其实一直在减慢。研究表明，地球的自转速度从40多亿年前的每天6小时，延长到了如今的每天24小时，并且将继续减慢。地球自转这种天然减速是一个十分缓慢的过程，如果要在短时间内让地球停止自转，将发生一系列难以预料的后果。

其次，地球上的建筑物在地球减速的过程中将承受巨大的力量，导致大量建筑物倒塌、损毁。地球停止自转后，大气层仍将以原来的速度自转，每小时1700多千米的强风，几乎可以将陆地上的所有东西都卷入空中，产生巨大的破坏性。

再次，地球是由板块构成的，这些板块并不是铁板一块，而是存在着相互作用，板块之间的挤压、俯冲，形成了地球上的山脉、峡谷和丰富的地貌。地球停止自转，将对板块运动产生扰动，使很多地方地震火山频发，引发大规模的地质灾难。海洋上将发生大规模的海啸，沿海地区将被海水淹没。

特别严重的后果，是地球停止自转将导致全球性磁场的消失。地球的内核处于高温的固体状态，外核是熔融状态，地球自转才能形成一个近乎完美的全球性磁场。正是有了磁场的保护，地球上的生命才能免受宇宙射线的辐射，生命才得以繁衍、进化。失去地球磁场的保护，生命也很难继续生存。所以，躲入地下屏蔽太空辐射是一个无奈的选择。

06

恒星周围的宜居带有多宽？

地球在太阳系的宜居带中，与太阳的距离不远不近。如果太近的话，温度太高，液态水就会蒸发；如果离太阳太远，地球将会快速降温，液态水就会冰冻。所以，只有在宜居带中，地球上的水才能有固、液、气3种状态，物质和能量才能传输和交换，才能孕育生命。

根据不同模型的估算，太阳系宜居带的宽度，向内侧可以延伸到0.95个天文单位，向外延伸到1.01个天文单位。但是，由于太阳的亮度在过去的几十亿年里是不断变亮的，所以，太阳系早期的宜居带应该更靠近内侧，而未来，太阳系的宜居带会比现在更远离太阳。

07

地球飞出太阳系之后，会到哪里去呢？

离我们最近的恒星是半人马座阿尔法星（中文名为南门二），这是一个三合星系统，由A、B、C这3颗恒星组成。其中以A星的体积最大，体积和亮度稍大于太阳，B星的体积和亮度稍稍逊于太阳，A星与B星一起组成了双星系统。由于A星与B星相互之间的距离很近，肉眼无法分辨出这是2颗恒星，看起来就像1颗星，因此它们也是全天空第4亮的恒星。

C星是双星系统以外的伴星，也是半人马座阿尔法星中最小的恒星，即中国人所称的比邻星。比邻星与A星和B星在宇宙中以相似的轨道运行，由于运行轨道的关系，几百万年后，比邻星有可能离开这个双星系统。

流浪地球飞出太阳系后，半人马座阿尔法星就是首选目标，因为其他的恒星要远得多。其中的比邻星是一颗红矮星，体积和亮度比太阳更小，质量只有太阳质量的12.5%，距离地球4.23光年（约277600天文单位），是已知最接近太阳的一颗恒星。

半人马座阿尔法星的3颗恒星，与太阳的大小和颜色对比

08

流浪地球会遇到三体问题吗？

科幻小说《三体》中，三体文明所在的行星周围也有3颗恒星，这颗行星由于受到3颗恒星等效的引力作用，被它们甩来甩去，有时离某一颗恒星太近，有时候又太远，导致温度极热极冷快速变化，昼夜周期也极不规律。实际上，半人马座阿尔法星的3颗恒星的运行轨道非常规则，地球抵达之后，主要受比邻星引力的影响，可以成为环绕比邻星的行星，因此不会面临三体文明那样气候混乱的情况。

09

地球到了比邻星之后会怎么样？

2016年，科学家在比邻星的周围发现了1颗行星，可能是有大气层的岩石星球，地表温度约为-40℃。地球抵达比邻星后，会发现那里已经有1颗行星伙伴。比邻星的光芒比太阳更暗，地球要尽量靠近比邻星，才能获得足够的光照。

由于离比邻星太近，地球会遭受强烈的紫外线和高能射线的照射。为了阻挡这些宇宙辐射，地球必须自转，使地球内部的“发电机”继续工作，确保地球磁场正常运转。

10

人类能飞出太阳系吗？

比邻星与我们的距离约4光年。我们发射的飞船的速度只能达到每秒钟十几千米，要好几万年才可以到达比邻星，远远超过宇航员的寿命。2016年，天体物理学家史蒂芬·霍金等宣布的“突破摄星”计划的目的，是建造1000个左右由激光推进的微型星际飞行器，实现飞出太阳系的目标，目的地正是比邻星所在的半人马座阿尔法星。激光照射在边长为4米的正方形光帆上，仅用100秒就可以使其加速到光速的20%，只需要20年就可以到比邻星。为了能够让光帆迅速达到最大速度，它携带的微型飞船只有邮票大小。到了比邻星附近时，飞船上的微型照相机可以进行拍摄，获得近距离的图像，再用激光将图像发回地球，科学家们就能分析那里是否有生命啦！

郑永春

博士，中国科学院国家天文台研究员，中国科普作家协会副理事长，青年科学家社会责任联盟理事长，“科普中国”形象大使。

本文原载于《中国科技教育》2019年第5期“专栏”栏目，作者郑永春，有删减。中国青辅协会员可点击“阅读原文”登录杂志官网免费浏览全文。