《流浪地球》從大年初一到初八，熱度不減，很多人都是迫不及待地去欣賞了這部電影?，F(xiàn)實中，“流浪地球”真的可能發(fā)生嗎？你真看懂《流浪地球》了嗎？讓STEM陪你一起探索科學(xué)的奧秘。
S. 科學(xué)（Science）
“氦閃”是什么現(xiàn)象？
太陽會不會熄火？
從恒星的演化規(guī)律上來講，太陽是會有熄火的那一天，不過是在遙遠(yuǎn)的50億年之后。簡單來講，當(dāng)太陽核心中的氫燃燒殆盡，生成的氦元素在引力的作用下坍縮，釋放的能量進一步升高溫度，點燃核心周圍的氫殼層，然后太陽迅速膨脹，成為一顆紅巨星。
有理論認(rèn)為，太陽演化生成的紅巨星非常巨大，最遠(yuǎn)能夠膨脹到地球軌道。這樣，水星、金星和地球都會逐漸墜入太陽而毀滅。其實，早在太陽吞噬掉地球之前，地球上的海洋早已被膨脹的紅巨星烤干，生命不復(fù)存在。
氦閃是發(fā)生在質(zhì)量介于0.5倍到2倍太陽質(zhì)量的恒星演化末期。當(dāng)核心處的氫燃燒殆盡，形成的氦堆積在核心處，氦不斷積累自我壓縮，密度增加到一定程度形成“簡并態(tài)”，處于簡并態(tài)的物質(zhì)靠簡并壓（一種量子力學(xué)效應(yīng)）支撐著自身重力，而非靠熱壓力支撐。核心處的氦的自我壓縮，還會讓溫度升高，然而簡并態(tài)物質(zhì)有一個奇怪的特性：溫度升高并不會導(dǎo)致其發(fā)生熱膨脹，也就不會吸收熱量，而且簡并態(tài)物質(zhì)的熱傳導(dǎo)性非常好，當(dāng)溫度一路飆升至1億度時，氦就受不了了，發(fā)生猛烈的熱核燃燒，短短幾分鐘就把核心6%的氦元素變成碳元素。對于太陽質(zhì)量的恒星來講，氦閃釋放的能量相當(dāng)于太陽燃燒3000萬年。
然而，據(jù)計算，如此巨大的能量并不會對紅巨星的外觀造成什么可觀測的影響，因為這種能量釋放發(fā)生在恒星的深處，巨大的能量釋放讓熱壓力超過簡并壓，核心物質(zhì)脫離簡并態(tài)而膨脹，大部分能量都耗費在驅(qū)動核心物質(zhì)膨脹當(dāng)中，剩余的少部分能量被厚厚的外殼吸收。實際上，并不會發(fā)生電影中看到的劇烈景象。
簡單總結(jié)一下氦閃的過程：氫燃燒變成的氦物質(zhì)堆積在太陽核心，核心的物質(zhì)越來越多，然后發(fā)生收縮溫度升高，但核心的物質(zhì)處于簡并態(tài)，溫度的升高并不能使其自動停止收縮，溫度會越來越高，當(dāng)跨過1億度的門檻時，就發(fā)生了猛烈的爆炸式氦燃燒，數(shù)分鐘內(nèi)就把能夠燃燒的氦變成了碳。但氦閃釋放的能量都被太陽本身吸收，表面居然看不出內(nèi)部發(fā)生了什么。
質(zhì)量小于0.5倍太陽的恒星沒有足夠的能力發(fā)生氦閃，而質(zhì)量大于2倍太陽的恒星，發(fā)生的是穩(wěn)定的、溫柔的氦燃燒，無需發(fā)生氦閃。獵戶座中大名鼎鼎的“參宿四”就是一顆質(zhì)量是太陽10倍的紅巨星，核心正在發(fā)生氦平穩(wěn)燃燒變成碳的過程。對于恒星的演化而言，質(zhì)量幾乎決定一切，當(dāng)然還要考慮其金屬豐度。
T. 技術(shù)（Technology）
木星引燃計劃
七萬公里外氫氣爆炸，能推動地球改向？
這一點科學(xué)家認(rèn)為不靠譜，先不說木星能否吸走地球部分大氣混合氫氣形成爆炸前提，就說爆炸本身。如果某種爆炸能推動地球改向，那該爆炸的沖擊波將會摧毀地表和淺地下的所有人類設(shè)施（包括地表五公里之下的地下城）甚至自然山川，乃至把地球擠壓變形才對，而不僅僅是溫柔的改向。但這畢竟是電影故事，重點需要表現(xiàn)英雄主義，這里就不吹毛求疵了。
但是，還是要說一下電影對白“引爆木星需要在七萬公里之外點火，而洲際導(dǎo)彈打不到，需要人工點燃”中的技術(shù)錯誤。七萬公里大約是地球和月球距離的五分之一，今天的常規(guī)火箭技術(shù)就能支撐導(dǎo)彈打過去，要不人類怎么去月球？有科技常識的朋友們都知道，推動洲際導(dǎo)彈飛七萬公里的技術(shù)難度是鐵定遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電影中的其它硬技術(shù)，例如太空城、地下城、等離子發(fā)動機等等。另外，木星大氣層氣候本來就是極端惡劣，最不缺乏云層雷電，大不必再向地球人“哥們兒，借個火”。
圖注：有濃郁的“程序猿”氣質(zhì)的技術(shù)員李一一點火。
E. 工程（Engineering）
啥是行星發(fā)動機？
在電影中，太陽內(nèi)核急速老化，不斷膨脹，地球?qū)⒈煌虥]。為了生存，人類傾盡所有，建造了一萬做驅(qū)使地球前行的行星發(fā)動機。一萬座行星發(fā)動機全功率開啟，驅(qū)使整個地球離開太陽系，踏上流浪之旅。
按照電影的設(shè)定，整個行星發(fā)動機建設(shè)工程持續(xù)了27年，到2060年最后一座行星發(fā)動機竣工為止，總共進行了18個批次的建設(shè)。
行星發(fā)動機分為了兩類：推進發(fā)動機和轉(zhuǎn)向發(fā)動機，前者負(fù)責(zé)為地球提供前進的動力，后者負(fù)責(zé)控制地球前進的方向。
發(fā)動機利用真空巖石重聚變技術(shù)作為動力源，具體來說就是利用巖石中的硅元素進行核聚變反應(yīng)，獲得高能高壓的等離子流，從而釋放出巨大能量，推動地球飛出太陽系。所謂重元素聚變并非空想，在宇宙深處有不少恒星“巨無霸”，內(nèi)部就在進行著重元素聚變。
M. 數(shù)學(xué)（Mathematics）
流浪，并非說走就走的旅行！
《流浪地球》中最驚天地泣鬼神的想象是，利用成千上萬個行星發(fā)動機，幫助地球離開太陽系。這就得說說讓地球離開太陽系需要多少能量了。
“地球繞太陽運行，離開太陽系，要能夠擺脫太陽的引力勢能束縛，所需能量可以計算得到，大概是2.65×1033焦耳?！倍?dāng)前人類生產(chǎn)的能源，可以拿全球發(fā)電量來估計。據(jù)統(tǒng)計，2017年全球總發(fā)電量大概是25571 TWh，大約合9.21×1019焦耳。
“也就是說，如果把現(xiàn)階段全球所有的發(fā)電量都用來推動地球離開太陽，需要連續(xù)工作2.88×1013年，即近29萬億年。而宇宙年齡大概是130億年?！敝芏Y勇說。
總之，帶著地球去流浪，可不是說走就走的旅行。如果行星發(fā)動機要承擔(dān)這一任務(wù)，那得無比厲害才行。
流浪地球，背負(fù)著35億人的希望，已經(jīng)上升到整個人類的生存層面了，用來進行學(xué)科融合性的A-STEM綜合教育，是再好不過的，趕緊帶孩子去看看吧！
撰稿/編輯：scilla
審核：包包
文章來源：部分素材來源于網(wǎng)絡(luò)
