2019年的這個(gè)春節(jié)和情人節(jié)，中國(guó)人能想到的最浪漫的事，就是帶上地球去流浪。一部名為《流浪地球》的電影，引燃了中國(guó)人久違的科幻熱情，人們紛紛涌向電影院，觀看這部中國(guó)人自己拍攝的科幻大片。
《流浪地球》的故事梗概是：不久的將來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)急速衰老膨脹，演化成為紅巨星，并將導(dǎo)致地球毀滅。為了自救，人類(lèi)啟動(dòng)一個(gè)名為“流浪地球”的大膽計(jì)劃，即傾全球之力在地球一側(cè)建造上萬(wàn)座發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向發(fā)動(dòng)機(jī)，將地球變成一個(gè)巨大的宇宙飛船，載著人類(lèi)文明開(kāi)始一個(gè)長(zhǎng)達(dá)2500年的太空流浪之旅，奔往離太陽(yáng)系最近的另一顆恒星——半人馬座的比鄰星。
按照計(jì)劃，人類(lèi)試圖利用木星實(shí)現(xiàn)“引力彈弓”加速，卻因木星的潮汐力突增，導(dǎo)致地球面臨墜入木星的風(fēng)險(xiǎn)。在生死存亡的時(shí)刻，位于地球和空間站上的人類(lèi)聯(lián)手展開(kāi)自救，并成功引燃木星大紅斑中的氫，將地球推離木星，成功脫離險(xiǎn)境。
影片中，太陽(yáng)的衰老和膨脹、萬(wàn)座高聳入云的發(fā)動(dòng)機(jī)、點(diǎn)燃木星等等科幻設(shè)定，真正讓人感到蕩氣回腸、回味無(wú)窮。特別是在地球危難之際，是我們中國(guó)人挺身而出，克服種種艱難險(xiǎn)阻拯救地球的壯舉，更是讓我們產(chǎn)生一種勇于擔(dān)當(dāng)?shù)拿褡遄院栏小?/p>
然而遺憾的是，那些重要的科幻設(shè)定卻沒(méi)什么科學(xué)合理性，如果有一天我們真的要帶上地球去流浪，我們還是要利用真正的科學(xué)，而不是僅止于浪漫而不切實(shí)際的幻想。
燒石頭不行，燒水試試
影片中，為了應(yīng)對(duì)這次巨大的太陽(yáng)系災(zāi)難，人類(lèi)在地球的北半球建造了一萬(wàn)座重核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向發(fā)動(dòng)機(jī)，準(zhǔn)備將地球推離自己的軌道。電影中最惹人注目的，就是這些重核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)：它們高達(dá)11千米，比珠峰朗瑪峰還高2.2千米。每座發(fā)動(dòng)機(jī)能提供150億噸的推力，全球一萬(wàn)座發(fā)動(dòng)機(jī)能提供150萬(wàn)億噸的推力。
重核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)是什么？它們產(chǎn)生的動(dòng)能能將地球推離自己的軌道嗎？
這種威力巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)，就是利用巖石中的硅元素進(jìn)行核聚變反應(yīng)，獲得高能高壓的等離子流。說(shuō)白了，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料就是石頭。理論上來(lái)說(shuō)，石頭確實(shí)可以當(dāng)燃料，石頭的主要成分是硅，在非常苛刻的條件下可以發(fā)生核聚變。
但越重的原子核，進(jìn)行聚變所需要的能量越大，聚變所產(chǎn)生的能量越小，例如，氫聚變所產(chǎn)生的能量是同樣質(zhì)量硅聚變所產(chǎn)生能量的30倍。而且重于碳的核聚變已經(jīng)非常困難，只有大質(zhì)量恒星演化晚期才能發(fā)生，而硅雖然理論上可以產(chǎn)生聚變，但所需要的溫度是30億度！地球無(wú)法產(chǎn)生那樣高的溫度，況且其性?xún)r(jià)比太低，恐怕把地殼的硅全都用完了，也未必能到達(dá)目的地。所以電影中的“重核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)”除了聽(tīng)起來(lái)很高大上、很?chē)樔送?，在科學(xué)上并沒(méi)有什么合理性。
其實(shí)，燒石頭不行，燒水可以。海水中富含氘與氚，這才是核聚變的最佳燃料。它們都是氫原子核的重同位素。氘在海水中儲(chǔ)量巨大，據(jù)計(jì)算，海水中氘的總儲(chǔ)量竟達(dá)幾百億噸，數(shù)量之大，可為人類(lèi)提供上億年的能源消費(fèi)。而且，氘的提取方法簡(jiǎn)便，成本也較低，核聚變堆的運(yùn)行也十分安全。有如此優(yōu)質(zhì)高效的核聚變材料，我們何必舍易取難，要開(kāi)發(fā)得不償失的以硅為原料的重核聚變呢？
當(dāng)然，無(wú)論燒石頭還是燒水，都不可能在短時(shí)間內(nèi)將地球推開(kāi)。根據(jù)計(jì)算，電影中1萬(wàn)座發(fā)動(dòng)機(jī)要持續(xù)不斷地工作1500多年，才能將地球加速到逃離太陽(yáng)軌道的速度，這把原計(jì)劃的一大半時(shí)間用掉了，那時(shí)候地球早就被太陽(yáng)給毀滅了。
需另辟蹊徑
那么，究竟還有沒(méi)有辦法推動(dòng)地球變軌，帶上地球去流浪呢？其實(shí)，還有比核聚變更先進(jìn)的方式：反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)。
反粒子跟通常所說(shuō)的電子、質(zhì)子相比較，電量相等但電性相反；反物質(zhì)是由反粒子構(gòu)成的，如同普通物質(zhì)是由普通粒子所構(gòu)成的。例如一顆反質(zhì)子和一顆反電子（正電子）能形成一個(gè)反氫原子，如同電子和質(zhì)子形成一般物質(zhì)的氫原子。
在著名的《星際迷航》系列電影中，“企業(yè)”號(hào)宇宙飛船可實(shí)現(xiàn)曲速飛行、超光速抵達(dá)宇宙中任何一個(gè)地方，都仰仗于它的反物質(zhì)動(dòng)力系統(tǒng)。
利用反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)地球更具科學(xué)合理性。迄今為止，多國(guó)物理學(xué)家已在實(shí)驗(yàn)室中制造出了正電子、反質(zhì)子和反中子，乃至反氫原子。但反物質(zhì)現(xiàn)在只能在實(shí)驗(yàn)室中制造，且所需能量更多，因此只能在太空中尋找。2006年發(fā)射升空的“反物質(zhì)-物質(zhì)與輕核天體物理學(xué)探測(cè)器”，在地球上空的在范艾倫輻射帶（這是地球上空的一條高能輻射帶，分內(nèi)外兩層，以美國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·范艾倫命名）中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)反質(zhì)子帶。2009年科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的現(xiàn)象：宇宙射線中反物質(zhì)粒子數(shù)量過(guò)剩，這說(shuō)明我們宇宙中存在著反物質(zhì)?？梢韵胂?，隨著人類(lèi)科技的發(fā)展，利用宇宙中的反物質(zhì)來(lái)制造反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)并不是什么難事。
水下城比地下城更具可行性
在地球轉(zhuǎn)向并遠(yuǎn)離太陽(yáng)的過(guò)程中，地表溫度急劇降低，冰封千里。人類(lèi)為了避難，在地表5000米以下處建立了上萬(wàn)個(gè)地下城市，在此后到達(dá)新恒星的2500年間，人類(lèi)就一直要在地下城生存、繁衍、延續(xù)希望了。那么，這么一座深達(dá)5000米的地下城市能夠保障人類(lèi)2500年的生存繁衍嗎？
資源循環(huán)也是大問(wèn)題。沒(méi)有人能預(yù)測(cè)人類(lèi)需要在地下生活多久，因此地下城市必須是一個(gè)可持續(xù)的棲息地。這意味著，每個(gè)地下城市都需要成為一個(gè)獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)，資源到底如何重復(fù)循環(huán)利用是個(gè)問(wèn)題。除此之外，地下環(huán)境怎么去適應(yīng)，怎么解決空氣流通，怎么防止出現(xiàn)心理疾病，等等，都具有很大的挑戰(zhàn)性，需要人類(lèi)群策群力去解決。
而且，在5000米那么深的地底下，高溫高壓?jiǎn)栴}也是難以解決的。地下5000米處溫度高達(dá)150℃以上，不過(guò)，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)?shù)厍虮砻娼档?80℃的寒冷時(shí)，地底溫度也會(huì)隨之降低，如果再與地面的寒冷空氣產(chǎn)生一些對(duì)流，地下城保持適宜的溫度還是有可能做到的；但高壓?jiǎn)栴}卻無(wú)解，5000米深處的壓強(qiáng)相當(dāng)于1000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在這么深的地底，如何進(jìn)行大規(guī)模的施工就是一個(gè)問(wèn)題，更不要說(shuō)幾乎沒(méi)有材料能頂?shù)米∵@樣巨大的壓強(qiáng)而支撐起一個(gè)巨大的地下城。
其實(shí)，海洋底下的水下城市比5000米深的地下城市更具可行性。在兩個(gè)月內(nèi)，海洋表面會(huì)凍結(jié)，但我們的海域需要再過(guò)1000年才能凍結(jié)。所以，住在水下更好，水的比熱容很大，吸熱或散熱能力都很強(qiáng)，能保持溫度的平衡。當(dāng)然，1000年之后，人類(lèi)如何防止海洋完全凍結(jié)，或者如何建造新的生活居住區(qū)，那又要考研人類(lèi)智慧了。
而且，建造一個(gè)水下城市也比建造一個(gè)地下城市容易很多，海洋有很豐富的資源供我們就地取用，比如最重要的水資源（那時(shí)海水淡化技術(shù)早已不在話下）、核能資源（海水中的氘是最佳的核聚變?nèi)剂现唬┑鹊?。事?shí)上，水下城市已經(jīng)不僅僅是我們天馬行空的想法，隨著3D打印技術(shù)、碳納米管和納米金剛石技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，一些科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始認(rèn)真考慮這種可能性。
木星靠不住
在電影中，為了節(jié)省燃料，人類(lèi)準(zhǔn)備讓地球向木星借力。地球如何向木星借力？這就涉及到天文學(xué)上的引力彈弓效應(yīng)，這種效應(yīng)基于動(dòng)量守恒。當(dāng)一艘宇宙飛船經(jīng)過(guò)一顆行星時(shí)，借用行星的公轉(zhuǎn)速度，給飛船加速。如1997年10月發(fā)射的土星探測(cè)器“卡西尼號(hào)”，離開(kāi)地球后先向太陽(yáng)方向飛去，首先飛掠金星，利用金星引力獲得加速。之后，它繞太陽(yáng)一圈，后再次飛掠金星，獲得金星引力的第二次加速。接著又飛掠地球附近，被地球引力再次加速。在“卡西尼號(hào)”第二次離開(kāi)地球后，又飛掠木星處，獲得了木星引力的加速。這時(shí)，它的速度超過(guò)了每30千米/秒。然后，它才向目的地土星飛去。這很像是在飛快轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)上滴上一滴水，水就會(huì)濺飛一樣。
在《流浪地球》中，地球也是借力木星。不過(guò)，根據(jù)計(jì)算，地球只能獲得木星引力10千米/秒左右的加速，這相比于地球設(shè)定的最終1500千米/秒的航速微不足道，不值得人類(lèi)冒這么大風(fēng)險(xiǎn)。別的不說(shuō)，木星有79顆衛(wèi)星。同在黃道平面的地球想接近木星？繞開(kāi)79個(gè)木星小弟就是個(gè)技術(shù)活。
在影片的高潮階段，在地球靠近木星的過(guò)程中，木星突然出現(xiàn)了“潮汐力增加”現(xiàn)象，眼看就要拉著地球落向木星。為了使地球脫離木星的引力，救援隊(duì)點(diǎn)燃了木星和地球大氣的混合氣體，產(chǎn)生了巨大的沖擊波，將地球推離了木星。
這一段是完全不靠譜的，因?yàn)槟拘俏樟说厍蛏系难鯕庥植恢劣诎训厍蛭?，?shí)在是太難了。就算地球有部分氧氣被木星掠走并在其局部形成了一個(gè)氫氣和氧氣的混合氣體，在合適的地方，混合氣體引發(fā)了爆炸，還是不行。因?yàn)檫@樣的爆炸沖擊波永遠(yuǎn)也不會(huì)到達(dá)地球。爆炸只所以會(huì)產(chǎn)生沖擊波，那是因?yàn)橛写髿獾木壒?。如果木星發(fā)生了氫氧燃燒和爆炸，沖擊波也永遠(yuǎn)只會(huì)留在木星大氣層里。2009年木星曾經(jīng)遭受過(guò)彗星撞擊事件，撞擊之猛烈，能量之大，留下的疤痕和木星的大紅斑一樣大，和地球的直徑差不多。即使這樣，進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)的哈勃望遠(yuǎn)鏡也沒(méi)有看到任何沖擊波能夠逃逸木星，傳播到宇宙空間。
而且，如果太空真的有空氣，有沖擊波，恐怕地球不是被推離木星，而是粉身碎骨了。因?yàn)榈厍虿皇菍?shí)心的一塊石頭，更形象的比喻是個(gè)雞蛋。地球最表面是地殼，這些是由輕薄的巖石構(gòu)成。內(nèi)部大部分空間是液態(tài)物質(zhì)，最中心是鐵與鎳的固體硬核。地殼非常的薄弱。你在雞蛋邊上發(fā)了一個(gè)炸彈，試圖用沖擊波把雞蛋炸得遠(yuǎn)遠(yuǎn)的，結(jié)果可能不是雞蛋被炸遠(yuǎn)了，而是把雞蛋當(dāng)場(chǎng)炸得粉碎。
還有新的思路
這么說(shuō)來(lái)，電影中最精彩的高潮部分——借力木星、點(diǎn)燃木星，在科學(xué)上是行不通的。那怎樣才能使地球在太空中流浪呢？有一個(gè)更大膽的辦法——制造微型黑洞！我們都知道，黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡后，發(fā)生引力坍縮而形成。研究認(rèn)為，不單單是大質(zhì)量恒星，任何物質(zhì)被壓縮到極高密度的話，都會(huì)形成黑洞。例如，地球的半徑大約為6378千米，如果把地球壓縮為半徑1厘米左右的話，就會(huì)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環(huán)境里，到處都充斥著這種量子尺度的原初黑洞，被稱(chēng)為微型黑洞或量子黑洞。
目前，為了能在高能質(zhì)子撞擊中模擬宇宙大爆炸后萬(wàn)億分之一秒內(nèi)的能量和條件，歐洲核子研究中心歷時(shí)14年，斥資80億美元，在瑞士建成了世界上最大的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。它設(shè)計(jì)的用于轟擊質(zhì)子使其在發(fā)生撞擊之前加速到7萬(wàn)億電伏的能量，為人造微型黑洞的誕生創(chuàng)造了條件。
在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，人類(lèi)如果真想帶上地球去流浪，可以在地球之外適當(dāng)?shù)牡胤街圃煲粋€(gè)或幾個(gè)微型黑洞，靠微型黑洞的引力帶著地球去流浪。
首先，在距離地球一個(gè)安全的地方，制造一個(gè)微型黑洞；然后，讓它在太空中通過(guò)吞噬小天體慢慢長(zhǎng)大，然后把它也變成一個(gè)質(zhì)量合適的流浪黑洞，拉拽著地球向前方進(jìn)發(fā)。特別是在進(jìn)入充滿(mǎn)彗星的太陽(yáng)系邊緣的柯伊伯帶和奧爾特云時(shí)，流浪黑洞還可以在前面吞噬沿途的小天體，為地球掃清一條障礙。
制造一個(gè)安全的小型黑洞，還有一個(gè)很大的好處，就是利用黑洞為地球提供源源不斷的能源。已故的著名物理學(xué)家霍金曾表示：“一個(gè)質(zhì)量與一座山相當(dāng)?shù)暮诙?，其釋放X射線和γ射線的功率可以超過(guò)1000萬(wàn)兆瓦，足以供應(yīng)全球的電力所需?！?/p>
當(dāng)然這樣做也充滿(mǎn)了風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，黑洞在行進(jìn)過(guò)程中不斷吸食周邊的物質(zhì)，使自己越來(lái)越大，很快就會(huì)威脅到地球的安全，這時(shí)，人類(lèi)要提前做好準(zhǔn)備，拉遠(yuǎn)與黑洞的距離，否則便會(huì)被黑洞吞噬。
地球流浪，危險(xiǎn)重重
星際旅行是科幻小說(shuō)長(zhǎng)盛不衰的題材，但常見(jiàn)的科幻設(shè)定基本都可以分為兩類(lèi)：一是通過(guò)近光速飛船來(lái)完成恒星間的遷徙；二是利用“蟲(chóng)洞”或者“空間折疊”來(lái)打破愛(ài)因斯坦的相對(duì)論限制，實(shí)現(xiàn)超越光速旅行?！读骼说厍颉穭t獨(dú)辟蹊徑，將地球整體作為飛船，但遺憾的是，不管我們?nèi)绾卧O(shè)定或幻想，移動(dòng)地球都不具科學(xué)合理性。
比起宇宙飛船來(lái)，移動(dòng)地球在技術(shù)上是件非常困難的事。即便技術(shù)上可行，顯著改變地球軌道有太多風(fēng)險(xiǎn)：自然生態(tài)徹底消失，發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的地殼不穩(wěn)定產(chǎn)生大量超大規(guī)模的地震、超級(jí)火山爆發(fā)、海嘯等劇烈的自然災(zāi)害，地球大氣層和磁場(chǎng)遭到破壞；而在整個(gè)太陽(yáng)系中，一顆行星軌道的改變，將完全打亂幾十億年形成的大致穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，小行星群軌道紊亂，地球遭遇形成早期那種混亂。
并且當(dāng)?shù)厍蝻w出日球?qū)又?，宇宙射線便能直接轟擊地球，整個(gè)地表將會(huì)遍布致命的高能輻射。地球的長(zhǎng)期流浪必然導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)環(huán)境走向徹底毀滅，恐怕還沒(méi)等到地球進(jìn)入新的恒星系統(tǒng)，中途就可能遭遇毀滅。
另外，整個(gè)地球的生態(tài)系統(tǒng)幾乎都以太陽(yáng)光作為最基本的驅(qū)動(dòng)源，一旦地球開(kāi)始遠(yuǎn)離太陽(yáng)，這個(gè)系統(tǒng)必然會(huì)急劇崩潰，更別說(shuō)長(zhǎng)達(dá)2000年的“流浪時(shí)代”了。
看來(lái)帶著地球去流浪不可行，只有另想辦法。2016年，歐洲南方天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞比鄰星公轉(zhuǎn)的行星，并且該行星還位于比鄰星的宜居帶上。在宜居帶，行星與恒星保持著最合適的距離，為生命的存在提供了相對(duì)適宜的條件。2018年，天文學(xué)家還在距離地球16光年之處找到一顆被命名為“瓦肯”的行星。
事實(shí)上，最近幾年，隨著高度精密的天文望遠(yuǎn)鏡不斷掃描宇宙，100光年之內(nèi)的行星越來(lái)越多地被發(fā)現(xiàn)了。如果未來(lái)真有太陽(yáng)系災(zāi)難，就像我們的人類(lèi)祖先用小船在廣闊的太平洋逐島躍遷、用幾萬(wàn)年時(shí)間占領(lǐng)了太平洋群島一樣，未來(lái)我們的后代也可以組織大量生態(tài)船組成的龐大艦隊(duì)，從一顆行星遷移到另一顆行星——改造，扎根；再改造，再扎根……用幾百萬(wàn)年甚或幾千萬(wàn)年的時(shí)間，人類(lèi)終將占領(lǐng)銀河系，整個(gè)銀河系終將涌現(xiàn)無(wú)數(shù)經(jīng)過(guò)人類(lèi)改造的新家園。
屆時(shí)我們利用反物質(zhì)為燃料的火箭，能夠在宇宙中以光速的70%左右飛行。這意味著，借助這種新型物質(zhì)發(fā)射火箭，人類(lèi)前往離地球最近的4.3光年之外的半人馬座約只需要6年時(shí)間，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。有了如此先進(jìn)的反物質(zhì)技術(shù)，我們當(dāng)然不需要低效的重核聚變了。
當(dāng)然，科幻片不符合科學(xué)是再正常不過(guò)的事情，人家本來(lái)就是科幻電影，不是科學(xué)。
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