硬核科幻《流浪地球》:停止自轉的地球真能去流浪嗎

硬核科幻《流浪地球》:停止自轉的地球真能去流浪嗎
2019年02月06日 15:00 科學大家

  出品| 新浪科技《科學大家》

  撰文| 茍利軍 中國科學院國家天文臺研究員、中國科學院大學天文學教授

  在大家的期盼當中,中國第一部科幻電影《流浪地球》終于在大年初一上映了,它在之前的點映當中就飽受贊譽。這部影片是根據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。在人類命運即將面臨存亡的關頭,人類聯合政府做出了一項決定,將地球作為一個龐大的飛船駛離現有軌道,駛向距離我們最近、4.2光年的比鄰星。

  從地球原有軌道到遙遠的比鄰星,按照小說而言,這是一場長達2500年、需要100代人才能完成的恢弘計劃,它分為了五個階段:(1)剎車階段:憑借赤道上的“行星發動機”的巨大推力,使地球停止自轉;(2)逃逸階段:全功率開動行星發動機,使地球加速駛出太陽系;(3)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“半人馬座比鄰星”;(4)后流浪階段:駛出太陽后,行星發動機全功率開啟,利用500年時間將地球加速到光速的千分之五,然后滑行1300年;然后調轉發動機,利用700年進行減速;(5)新太陽時代:地球泊入比鄰星軌道,成為比鄰星的衛星。

  盡管計劃所需時間極為漫長,然而小說也僅僅橫跨百年,以一個人的一生作為背景,描述了人類在地球離開太陽系過程中的各種境況。作為電影,它更是僅僅展現了一個極短的場景,也就是上面所講的后流浪階段。地球在利用木星實現引力彈弓加速的時候,因為行星發動機的失效,地球被木星所吸引,彼此距離不斷減小。為了避免地球撞毀到木星上,在嘗試了一系列的地面方法失敗之后,地面上的救援隊想出利用行星發動機噴出的高能氣體流來點燃木星大紅斑的方法,以期望產生的超強沖擊波將地球推開。不過最終因為行星發動機的的動力不足,還是依靠中國宇航員劉培強最后將太空站點燃在離子流上,補足了能量,從而使得大紅斑被成功點燃,釋放出超強的沖擊波,地球被成功挽救,繼續開啟了駛向比鄰星的流浪旅途。

  我有幸之前受邀去導演工作室觀摩,并且在電影上映當日在影院觀看。電影院里將影片當中的特效展現的淋漓盡致,讓我完全沉浸其中并且為不少場景所感動。電影以非凡和逼真的特技效果,再現了地球在流浪過程當中所遭遇的世界末日的恢弘場景。整部片子從特效上而言,已經堪比好萊塢大片,故事情節也是有松有馳,緊張之中也不乏一些輕松有趣的對話。作為中國科幻第一片,的確大大超出我們的預期。此部電影被定義為硬科幻,肯定是包含有不少的科學成分。比如太陽在燃燒完最中心的氫之后,因為中心氦進一步發生聚核反應而產生更多熱量,從而發生膨脹,這一點就已經為很多人所熟知,完全符合我們的科學認識,而流浪地球就是發生在這樣的背景之下。距離我們最近的就是比鄰星,這也是符合我們的認識,而且劉慈欣的小說《三體》也是以比鄰星為背景的,就是因為它是一個三體恒星系統。

  整個電影的場景是發生在地球脫離原有軌道之后。在電影當中,因為地球遠離太陽,接收到的太陽能量減少,所以地球表面溫度急劇下降,所以我們看到的人類都已經轉入地下生活,而地面上的城市保持完整,不過都已經被冰凍起來,成為了一個冰雪世界。

  整部電影涉及到非常多的天文知識,今天,讓我們就以科學的角度,選取電影當中提及的幾個場景,深入審視看其是否符合科學的原理。

  人類是否能夠讓地球停止轉動?

  在“流浪地球計劃”中的第一步就是首先讓地球停止轉動,盡管在電影中沒有直接展現這一場景,但是電影當中的旁白中有所提及,讓我們就先來看一下這個停止轉動是否可以實現。

  在直接回答這個問題之前,我們先了解一下地球的轉動能量的多少。關于能量的多少,我們很容易的從網絡上搜索到,地球的轉動能是2.24E29焦耳,這個能量是非常的巨大。讓我們做一個簡單的對比,從而可以更加清楚地看到這個能量巨大,一個原子彈釋放出來的能量差不多相當于1百萬個TNT當量,或者就相當于是4.2E15焦耳,而歷史上曾經實驗過的釋放能量最強的大伊萬氫彈,釋放的能量差不多是5000萬TNT當量,或者就是2.1E17焦耳,然而相比較地球的轉動能量,還是小巫見大巫了,大約相當于1萬億(1E12)個大伊萬的氫彈同時爆炸。

  不過或許在不遠的未來,人類如果能夠熟練掌握了重核聚變能力的話,產生的能量的能力將極大提高。按照電影所說,每個行星發動機通過重核聚變能夠產生150萬億噸的推力(而現在的航天飛機的推力大約在2000萬牛頓,也就是未來的推力大約是現在推力的100億倍)。那讓我們來利用這個估算一下應用到地球質量上,所以很容易地就知道產生的加速度是0.000000025 (或者2.5E-8)米/秒2。在赤道附近的轉動速度大約就是每秒460米。對于一個發動機而言,如果能夠持續不斷的產生反推力,那么也需要218569天(大約600年)的時間才能夠讓地球停止。不過按照電影所言,在這一萬個行星發動機當中有一部分是位于赤道之上用于減速的,如果數量可以達到100左右的話,那么就可以在相對比較短的時間用來停止地球轉動。不過必須要求這些發動機是持續不斷并且提供相同的反推力。所以我們看到這個難度可是非常的高,對于地球人類幾乎是不太可能做到的事情。

  一旦地球停止轉動,地球將會發生什么?

  如果地球一旦停止轉動,那么地球上將會發生什么樣的變化呢?或許你會想著,地球不是類似于物理學當中的剛體么,難道沒有了轉動,就會發生很巨大的變化么?

  最直接的一個效應就是沒有了轉動,目前地球上幾乎所有的大陸都會被海洋所淹沒,這一點的確在電影當中有所提及,原因很簡單。在地球轉動的時候,因為離心力的緣故,作為液態的海洋會朝向赤道附近聚集,所以一旦地球停止轉動,這些水會向兩極流動,從而造成大陸被淹沒。根據美國ESRI公司的動畫模擬,最終幾乎所有的大陸都會被淹沒,只剩下赤道附近的一圈超級大陸凸顯出來,如果人類要想繼續在大陸上生存下去的話,這將會是唯一的一個希望,不過在電影當中,人類是移居到了地下生活。

  值得指出的是,即使對于赤道附近的唯一大陸,也是充滿了很多危險。在轉動的時候,同樣是因為離心力的作用,地球的赤道地殼會顯得更為突出一點,然而在沒有轉動的時候,那么赤道附近缺少離心力,所以很可能會導致板塊坍縮,從而引發一系列的全球地震或者海嘯。所以我們將很難看到那些完整保持的城市,不僅在地面上修建的那些行星發動機或許就很難存在了,而且居住在地下或許也非常困難的。

  因為沒有了轉動,所以地球將會有固定的一面朝向太陽,另外一面而將一直處于黑夜當中,就仿佛我們在南極或者北極所經歷的極晝或者極夜那樣。盡管有地球大氣的存在,但是遠離太陽的一面,還是會因為長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。

  盡管我們對于磁場的產生機制并不是非常的清楚和確定,一種流行的說法就是因為地球外殼層和內核之間的轉速不同導致的。如果地球自轉停止,而且兩個區域都停止,那么地球磁場有可能會突然消失。通常情況下,地球磁場的存在,它不僅僅能夠為我們指明南北方向,更重要的是磁場起到了保護作用,能夠將來自于太陽的帶電粒子屏蔽于地球大氣之外,從而太陽粒子很難直接穿過磁場,直接進入低層大氣,保護了地球大氣層不會丟失掉。不過這些帶電粒子會沿著磁力線向兩極運動,帶電粒子最終與大氣中的粒子相互作用,使得粒子發生激發,從而產生我們所看到的極光。而沒有了磁場,太陽風能夠不受任何阻礙,長驅直入進入地球大氣,從而在全球各個地方形成我們所說的極光,不過更為重要的是,地球大氣有可能逐漸損失掉。我們目前已經知道,現在的火星大氣目前僅僅是地球大氣質量的百分之一,然而在三四十億年之前,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,非常適合生命的居住。然而就是因為后來火星整體磁場的消失,在太陽風的沖擊之下,火星大氣就逐漸逃逸到了太空當中,越來越少。如果地球沒有了磁場,那么我們的地球也將經歷這樣的遭遇。目前,正是地球的磁場保護了我們人類,使得我們免受太陽風的沖擊。

  電影當中展現了一個被冰雪封凍但保存完整的世界,所以我們通過上面的分析看到,如果我們能夠讓地球逐漸停止,那么其實在地球逐漸停止的過程當中,地球已經就發生了巨大的變化,城市建筑早已經在地殼的變化過程當中不復存在了,完全不是電影當中所展現的那樣。

  脫離木星引力的方法合理嗎?

  整部電影所展現的一個主題就是如何擺脫木星的“剛性洛希極限“點。這其實就是“流浪地球計劃”的第三個“先流浪階段“。這里我們需要明白地球駛入木星周圍的原因。木星引力是如此之強,為何地球不躲著木星行駛?其實在電影當中,聯合政府本來想通過一種叫做引力彈弓(gravitational slingshot)的效應,使用木星對地球進行加速,沒想到部分行星發動機失效,導致地球被木星吸引而逐漸進入木星的剛體洛希極限,出現了電影當中所呈現的災難。其實引力彈弓效應在探測器飛行中被廣泛使用,通常被當做一種節省能源的加速方式,旅行者一號就是利用木星和土星兩次引力加速,才得以逃出太陽系。

  這個效應的原理其實非常簡單,因為行星本身也在圍繞太陽轉動,所以當行星吸引探測器或者其它天體的同時,就實際上賦予了探測器或者其它天體一部分速度,當探測器或者其它天體逃離出去的時候,就相當于被加速了。我們可以舉一個簡單的類似例子來理解。如果我們站在靜止的地面上向運動的火車頂上扔一個網球,在網球被彈起來的時候,地面上靜止的人看到網球的速度,其實就是火車速度和網球原來速度的疊加。所以當天體從某個行星周圍逃離的時候,其實就是本來的速度和天體速度的疊加。

  接下來我們再來簡單解釋一下電影中出現的另外一個燒腦名詞:剛體洛希極限。簡單說來,就是一個類似地球的巖質天體被木星的潮汐力撕碎的極限半徑。因為距離木星很近,在靠近木星和遠離木星的地球表面上會感受到不一樣的木星引力,我們把這種力的差別稱之為潮汐力。我們可以想象一下,距離木星越來越近的情況下,這種潮汐力會變得越大。在靠近木星一定距離時,大到一定程度時,整個地球就會被撕裂,這個特殊的臨界距離被科學家們稱之為剛體洛希極限。所以我們可以想象,一旦地球跨過了這個點之后,地球會被粉碎,地球上的人類肯定無一生存,流浪地球的計劃也將隨之破滅。而按照電影當中所言,這也是為什么聯合政府看到地球即將跨過洛希極限點的時候,就已經打算放棄地球,而保留了太空站,讓太空站成為人類文明生存的諾亞方舟。

  接下來再讓我們看一下電影當中讓地球擺脫木星引力的場景:在地球即將進入木星的洛希極限點之前,地面上的救援隊試圖用所有行星發動機的能量集中到其中一個,然后去噴射點燃木星的大紅斑,不過因為部分發動機沒有完全工作,所以總共7萬公里的距離還差5000公里才能得以點燃。在這涉及地球存亡的緊急關頭,吳京所扮演的宇航員劉培強駕駛著空間站在粒子流當中爆炸,空間站攜帶的巨大能源彌補了行星發動機的能量不足,最終木星大紅斑被成功點燃,產生劇烈的沖擊波,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。木星大紅斑中的氫可能被點燃嗎?木星的氣體沖擊波真可能將地球推走嗎?簡單的答案就是這兩個情形都不太可能發生。如果要想讓大紅斑中的氫燃燒,需要地球有充分的氧氣混合。不是被木星吸積的地球大氣中包含有大量氧氣么?但是需要知道,即使包含有氧氣的地球大氣在吸積到木星表面的時候,因為時間很很短,也不會和氫氣均勻混合,所以產生大規模燃燒的可能性非常小。假若可以燃燒發生爆炸,產生非常強的沖擊波,也不太可能對地球本身產生極大的影響。我們首先需要知道這個沖擊波是什么?其實就是高速運動的氣體粒子,非常類似于來自于太陽的巨型爆發產生的太陽風。依靠燃燒氫氣釋放能量并不是一個有效的加速氣體的很好方式,最終的速度不一定有太陽風的速度快。即使快很多,當這些高速運動氣體抵達地球時,地球因為有磁場的保護,通常這些氣體并不會直接打到地球表面。即使這些粒子能夠穿透磁場,其實更多的作用將會是地球大氣的中的粒子相互作用,產生非常壯觀的極光現象,并不會產生很強的推力。這個沖擊波在一定程度上非常類似我們常說的一句俗語:蚍蜉撼大樹——自不量力。不過,如果所謂的沖擊波很強的話,地球大氣倒是很有可能被沖擊波部分剝離掉的。

  當然地球在太空流浪的征途之后也并非一番風順,逃離木星洛希極限點也僅僅是萬里征途當中所碰到的一個小插曲而已,在前往比鄰星的路途當中,還有很長的距離等待著地球去走。木星軌道之外,有著包含冥王星的小行星帶,俗稱柯伊伯帶之外,最外層還有一個呈現為球形的奧爾特星云,這些區域都布滿了大小不一、密密麻麻的小行星,而且這些區域的尺度非常大,尤其奧爾特星云一直可以延伸到大約比鄰星距離的一半,所以地球在抵達比鄰星之前,如何安全地經過這些小行星帶,如何避免被小行星不斷相撞也是很有挑戰的。即使人類的技術能夠順利抵達比鄰星,根據科學家的研究發現,比鄰星的周圍并不適合生命的居住。比鄰星的質量只有太陽質量的七分之一,所以適合生命發展的宜居區也是距離中心恒星很近,劇烈的爆發有可能會將存在的生命殺死。而且在2016年的時候,科學家們在比鄰星周圍已經發現了一個位于宜居區內的行星,所以到時如何讓比地球精確的存在于宜居區的另外一個軌道上,而不與現有行星相撞,對于地球人類也是極大的挑戰。

  無論如何,地球的流浪之路會是非常艱辛。不過我們需要知道,在整個人類面臨危機的時候,將地球整個當做一個飛船移走,是一個非常大膽且富有想象的想法,盡管從科學的角度來看,在可以預見的時期內,人類的能力無法實現。不過電影作為一門藝術,它不完全是生活或者科學的完全再現,所以盡管這部電影當中包含了許多不科學的想象,但是依舊需要我們為之鼓掌??茖W是人類進步的動力,而想象則為人類進步指明了方向。作為中國第一部科幻大片,讓我們先去享受《流浪地球》電影帶給我們的欣喜。

  中國的科幻電影之路,也如中國的科學發展之路,路漫漫其修遠兮,還需大家共同努力。(圖片由編輯所加,來源于網絡)

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