流浪地球，其实有更好的方式

下一个秋天1

《流浪地球》的故事梗概是：不久的将来，科学家们发现太阳急速衰老膨胀，演化成为红巨星，并将导致地球毁灭。为了自救，人类启动一个名为“流浪地球”的大胆计划，即倾全球之力在地球一侧建造上万座发动机和转向发动机，将地球变成一个巨大的宇宙飞船，载着人类文明开始一个长达2500年的太空流浪之旅，奔往离太阳系最近的另一颗恒星——半人马座的比邻星。

按照计划，人类试图利用木星实现“引力弹弓”加速，却因木星的潮汐力突增，导致地球面临坠入木星的风险。在生死存亡的时刻，位于地球和空间站上的人类联手展开自救，并成功引燃木星大红斑中的氢，将地球推离木星，成功脱离险境。


影片中，太阳的衰老和膨胀、万座高耸入云的发动机、点燃木星等等科幻设定，真正让人感到荡气回肠、回味无穷。特别是在地球危难之际，是我们中国人挺身而出，克服种种艰难险阻拯救地球的壮举，更是让我们产生一种勇于担当的民族自豪感。


然而遗憾的是，那些重要的科幻设定却没什么科学合理性，如果有一天我们真的要带上地球去流浪，我们还是要利用真正的科学，而不是仅止于浪漫而不切实际的幻想。


烧石头不行，烧水试试


影片中，为了应对这次巨大的太阳系灾难，人类在地球的北半球建造了一万座重核聚变发动机和转向发动机，准备将地球推离自己的轨道。电影中最惹人注目的，就是这些重核聚变发动机：它们高达11千米，比珠峰朗玛峰还高2.2千米。每座发动机能提供150亿吨的推力，全球一万座发动机能提供150万亿吨的推力。


重核聚变发动机是什么?它们产生的动能能将地球推离自己的轨道吗?


这种威力巨大的发动机，就是利用岩石中的硅元素进行核聚变反应，获得高能高压的等离子流。说白了，发动机的燃料就是石头。理论上来说，石头确实可以当燃料，石头的主要成分是硅，在非常苛刻的条件下可以发生核聚变。

但越重的原子核，进行聚变所需要的能量越大，聚变所产生的能量越小，例如，氢聚变所产生的能量是同样质量硅聚变所产生能量的30倍。而且重于碳的核聚变已经非常困难，只有大质量恒星演化晚期才能发生，而硅虽然理论上可以产生聚变，但所需要的温度是30亿度!地球无法产生那样高的温度，况且其性价比太低，恐怕把地壳的硅全都用完了，也未必能到达目的地。所以电影中的“重核聚变发动机”除了听起来很高大上、很吓人外，在科学上并没有什么合理性。


其实，烧石头不行，烧水可以。海水中富含氘与氚，这才是核聚变的最佳燃料。它们都是氢原子核的重同位素。氘在海水中储量巨大，据计算，海水中氘的总储量竟达几百亿吨，数量之大，可为人类提供上亿年的能源消费。而且，氘的提取方法简便，成本也较低，核聚变堆的运行也十分安全。有如此优质高效的核聚变材料，我们何必舍易取难，要开发得不偿失的以硅为原料的重核聚变呢?


当然，无论烧石头还是烧水，都不可能在短时间内将地球推开。根据计算，电影中1万座发动机要持续不断地工作1500多年，才能将地球加速到逃离太阳轨道的速度，这把原计划的一大半时间用掉了，那时候地球早就被太阳给毁灭了。


需另辟蹊径


那么，究竟还有没有办法推动地球变轨，带上地球去流浪呢?其实，还有比核聚变更先进的方式：反物质发动机。


反粒子跟通常所说的电子、质子相比较，电量相等但电性相反;反物质是由反粒子构成的，如同普通物质是由普通粒子所构成的。例如一颗反质子和一颗反电子(正电子)能形成一个反氢原子，如同电子和质子形成一般物质的氢原子。

当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，两个粒子的质量几乎完全转化成能量，效率大大高于核裂变和核聚变。就所有物理反应而言，这是效率最高的燃料。我们可以比较一下每千克发动机燃料的效果，很理想的化学反应可以产生1×107焦耳的能量，核裂变产生8×1013焦耳的能量，核聚变产生3×1014焦耳的能量，而反物质的湮灭能产生9×1016焦耳的能量，是氢氧化学反应的90亿倍、氢核聚变反应的300倍。一片阿司匹林那么大的反物质同物质湮灭产生的能量足以让一艘飞船巡弋数百光年，而航天飞机那么巨大的燃料箱和推进器中的燃料完全可以用100毫克的反物质代替。而且“湮灭”效应是自然发生的，并不需要像核聚变那样用难以想像的高温高压来“点火”。


在著名的《星际迷航》系列电影中，“企业”号宇宙飞船可实现曲速飞行、超光速抵达宇宙中任何一个地方，都仰仗于它的反物质动力系统。


利用反物质发动机启动地球更具科学合理性。迄今为止，多国物理学家已在实验室中制造出了正电子、反质子和反中子，乃至反氢原子。但反物质现在只能在实验室中制造，且所需能量更多，因此只能在太空中寻找。2006年发射升空的“反物质-物质与轻核天体物理学探测器”，在地球上空的在范艾伦辐射带(这是地球上空的一条高能辐射带，分内外两层，以美国物理学家詹姆斯·范艾伦命名)中发现了一个反质子带。2009年科学家又发现了一个惊人的现象：宇宙射线中反物质粒子数量过剩，这说明我们宇宙中存在着反物质。可以想象，随着人类科技的发展，利用宇宙中的反物质来制造反物质发动机并不是什么难事。


水下城比地下城更具可行性


在地球转向并远离太阳的过程中，地表温度急剧降低，冰封千里。人类为了避难，在地表5000米以下处建立了上万个地下城市，在此后到达新恒星的2500年间，人类就一直要在地下城生存、繁衍、延续希望了。那么，这么一座深达5000米的地下城市能够保障人类2500年的生存繁衍吗?


资源循环也是大问题。没有人能预测人类需要在地下生活多久，因此地下城市必须是一个可持续的栖息地。这意味着，每个地下城市都需要成为一个独立的生态系统，资源到底如何重复循环利用是个问题。除此之外，地下环境怎么去适应，怎么解决空气流通，怎么防止出现心理疾病，等等，都具有很大的挑战性，需要人类群策群力去解决。


而且，在5000米那么深的地底下，高温高压问题也是难以解决的。地下5000米处温度高达150℃以上，不过，根据计算，当地球表面降到-80℃的寒冷时，地底温度也会随之降低，如果再与地面的寒冷空气产生一些对流，地下城保持适宜的温度还是有可能做到的;但高压问题却无解，5000米深处的压强相当于1000个标准大气压，在这么深的地底，如何进行大规模的施工就是一个问题，更不要说几乎没有材料能顶得住这样巨大的压强而支撑起一个巨大的地下城。


其实，海洋底下的水下城市比5000米深的地下城市更具可行性。在两个月内，海洋表面会冻结，但我们的海域需要再过1000年才能冻结。所以，住在水下更好，水的比热容很大，吸热或散热能力都很强，能保持温度的平衡。当然，1000年之后，人类如何防止海洋完全冻结，或者如何建造新的生活居住区，那又要考研人类智慧了。


而且，建造一个水下城市也比建造一个地下城市容易很多，海洋有很丰富的资源供我们就地取用，比如最重要的水资源(那时海水淡化技术早已不在话下)、核能资源(海水中的氘是最佳的核聚变燃料之一)等等。事实上，水下城市已经不仅仅是我们天马行空的想法，随着3D打印技术、碳纳米管和纳米金刚石技术的不断发展和应用，一些科学家已经开始认真考虑这种可能性。


木星靠不住


在电影中，为了节省燃料，人类准备让地球向木星借力。地球如何向木星借力?这就涉及到天文学上的引力弹弓效应，这种效应基于动量守恒。当一艘宇宙飞船经过一颗行星时，借用行星的公转速度，给飞船加速。如1997年10月发射的土星探测器“卡西尼号”，离开地球后先向太阳方向飞去，首先飞掠金星，利用金星引力获得加速。之后，它绕太阳一圈，后再次飞掠金星，获得金星引力的第二次加速。接着又飞掠地球附近，被地球引力再次加速。在“卡西尼号”第二次离开地球后，又飞掠木星处，获得了木星引力的加速。这时，它的速度超过了每30千米/秒。然后，它才向目的地土星飞去。这很像是在飞快转动的圆盘上滴上一滴水，水就会溅飞一样。


在《流浪地球》中，地球也是借力木星。不过，根据计算，地球只能获得木星引力10千米/秒左右的加速，这相比于地球设定的最终1500千米/秒的航速微不足道，不值得人类冒这么大风险。别的不说，木星有79颗卫星。同在黄道平面的地球想接近木星?绕开79个木星小弟就是个技术活。


在影片的高潮阶段，在地球靠近木星的过程中，木星突然出现了“潮汐力增加”现象，眼看就要拉着地球落向木星。为了使地球脱离木星的引力，救援队点燃了木星和地球大气的混合气体，产生了巨大的冲击波，将地球推离了木星。

这一段是完全不靠谱的，因为木星吸收了地球上的氧气又不至于把地球吸走，实在是太难了。就算地球有部分氧气被木星掠走并在其局部形成了一个氢气和氧气的混合气体，在合适的地方，混合气体引发了爆炸，还是不行。因为这样的爆炸冲击波永远也不会到达地球。爆炸只所以会产生冲击波，那是因为有大气的缘故。如果木星发生了氢氧燃烧和爆炸，冲击波也永远只会留在木星大气层里。2009年木星曾经遭受过彗星撞击事件，撞击之猛烈，能量之大，留下的疤痕和木星的大红斑一样大，和地球的直径差不多。即使这样，进行全程监测的哈勃望远镜也没有看到任何冲击波能够逃逸木星，传播到宇宙空间。


而且，如果太空真的有空气，有冲击波，恐怕地球不是被推离木星，而是粉身碎骨了。因为地球不是实心的一块石头，更形象的比喻是个鸡蛋。地球最表面是地壳，这些是由轻薄的岩石构成。内部大部分空间是液态物质，最中心是铁与镍的固体硬核。地壳非常的薄弱。你在鸡蛋边上发了一个炸弹，试图用冲击波把鸡蛋炸得远远的，结果可能不是鸡蛋被炸远了，而是把鸡蛋当场炸得粉碎。


还有新的思路


这么说来，电影中最精彩的高潮部分——借力木星、点燃木星，在科学上是行不通的。那怎样才能使地球在太空中流浪呢?有一个更大胆的办法——制造微型黑洞!我们都知道，黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后，发生引力坍缩而形成。研究认为，不单单是大质量恒星，任何物质被压缩到极高密度的话，都会形成黑洞。例如，地球的半径大约为6378千米，如果把地球压缩为半径1厘米左右的话，就会形成黑洞。最小的黑洞甚至可以小到量子尺度大小，在宇宙早期的高密度环境里，到处都充斥着这种量子尺度的原初黑洞，被称为微型黑洞或量子黑洞。

目前，为了能在高能质子撞击中模拟宇宙大爆炸后万亿分之一秒内的能量和条件，欧洲核子研究中心历时14年，斥资80亿美元，在瑞士建成了世界上最大的强子对撞机。它设计的用于轰击质子使其在发生撞击之前加速到7万亿电伏的能量，为人造微型黑洞的诞生创造了条件。


在遥远的未来，人类如果真想带上地球去流浪，可以在地球之外适当的地方制造一个或几个微型黑洞，靠微型黑洞的引力带着地球去流浪。


首先，在距离地球一个安全的地方，制造一个微型黑洞;然后，让它在太空中通过吞噬小天体慢慢长大，然后把它也变成一个质量合适的流浪黑洞，拉拽着地球向前方进发。特别是在进入充满彗星的太阳系边缘的柯伊伯带和奥尔特云时，流浪黑洞还可以在前面吞噬沿途的小天体，为地球扫清一条障碍。


制造一个安全的小型黑洞，还有一个很大的好处，就是利用黑洞为地球提供源源不断的能源。已故的著名物理学家霍金曾表示：“一个质量与一座山相当的黑洞，其释放X射线和γ射线的功率可以超过1000万兆瓦，足以供应全球的电力所需。”


当然这样做也充满了风险和挑战，黑洞在行进过程中不断吸食周边的物质，使自己越来越大，很快就会威胁到地球的安全，这时，人类要提前做好准备，拉远与黑洞的距离，否则便会被黑洞吞噬。


地球流浪，危险重重


星际旅行是科幻小说长盛不衰的题材，但常见的科幻设定基本都可以分为两类：一是通过近光速飞船来完成恒星间的迁徙;二是利用“虫洞”或者“空间折叠”来打破爱因斯坦的相对论限制，实现超越光速旅行。《流浪地球》则独辟蹊径，将地球整体作为飞船，但遗憾的是，不管我们如何设定或幻想，移动地球都不具科学合理性。


比起宇宙飞船来，移动地球在技术上是件非常困难的事。即便技术上可行，显著改变地球轨道有太多风险：自然生态彻底消失，发动机带来的地壳不稳定产生大量超大规模的地震、超级火山爆发、海啸等剧烈的自然灾害，地球大气层和磁场遭到破坏;而在整个太阳系中，一颗行星轨道的改变，将完全打乱几十亿年形成的大致稳定动力学系统，小行星群轨道紊乱，地球遭遇形成早期那种混乱。


并且当地球飞出日球层之后，宇宙射线便能直接轰击地球，整个地表将会遍布致命的高能辐射。地球的长期流浪必然导致整个生态环境走向彻底毁灭，恐怕还没等到地球进入新的恒星系统，中途就可能遭遇毁灭。


另外，整个地球的生态系统几乎都以太阳光作为最基本的驱动源，一旦地球开始远离太阳，这个系统必然会急剧崩溃，更别说长达2000年的“流浪时代”了。




看来带着地球去流浪不可行，只有另想办法。2016年，欧洲南方天文台发现了一颗围绕比邻星公转的行星，并且该行星还位于比邻星的宜居带上。在宜居带，行星与恒星保持着最合适的距离，为生命的存在提供了相对适宜的条件。2018年，天文学家还在距离地球16光年之处找到一颗被命名为“瓦肯”的行星。


事实上，最近几年，随着高度精密的天文望远镜不断扫描宇宙，100光年之内的行星越来越多地被发现了。如果未来真有太阳系灾难，就像我们的人类祖先用小船在广阔的太平洋逐岛跃迁、用几万年时间占领了太平洋群岛一样，未来我们的后代也可以组织大量生态船组成的庞大舰队，从一颗行星迁移到另一颗行星——改造，扎根;再改造，再扎根……用几百万年甚或几千万年的时间，人类终将占领银河系，整个银河系终将涌现无数经过人类改造的新家园。


届时我们利用反物质为燃料的火箭，能够在宇宙中以光速的70%左右飞行。这意味着，借助这种新型物质发射火箭，人类前往离地球最近的4.3光年之外的半人马座约只需要6年时间，到16光年之外的瓦肯星也只要23年，即使航行到1000光年之外的行星上，也只需1400多年。有了如此先进的反物质技术，我们当然不需要低效的重核聚变了。


当然，科幻片不符合科学是再正常不过的事情，人家本来就是科幻电影，不是科学。