《流浪地球》没有交代清楚的烧脑科学知识

        大年初一，根据刘慈欣的小说《流浪地球》改编的同名电影《流浪地球》在全国上映。我第一时间慕名到电影院去观看了影片。整部电影气势恢宏，讲述了太阳将变成红巨星，人类驱动地球逃离太阳系的故事。

《流浪地球》没有交代清楚的烧脑科学知识

        从恒星的演化规律上来讲，太阳是会有熄火的那一天，不过是在遥远的50亿年之后。简单来讲，当太阳核心中的氢燃烧殆尽，生成的氦元素在引力的作用下坍缩，释放的能量进一步升高温度，点燃核心周围的氢壳层，然后太阳迅速膨胀，成为一颗红巨星。

      有理论认为，太阳演化生成的红巨星非常巨大，最远能够膨胀到地球轨道。这样，水星、金星和地球都会逐渐坠入太阳而毁灭。其实，早在太阳吞噬掉地球之前，地球上的海洋早已被膨胀的红巨星烤干，生命不复存在。

《流浪地球》没有交代清楚的烧脑科学知识

图注：当太阳变成红巨星时的样子

“氦闪”是什么现象？

        电影中还提到一个天体物理学中的名词氦闪，我们再来具体介绍一下。

        氦闪是发生在质量介于0.5倍到2倍太阳质量的恒星演化末期。当核心处的氢燃烧殆尽，形成的氦堆积在核心处，氦不断积累自我压缩，密度增加到一定程度形成“简并态”，处于简并态的物质靠简并压（一种量子力学效应）支撑着自身重力，而非靠热压力支撑。核心处的氦的自我压缩，还会让温度升高，然而简并态物质有一个奇怪的特性：温度升高并不会导致其发生热膨胀，直到热压力再次超过简并压，而且简并态物质的热传导性非常好，当温度一路飙升至1亿度时，氦就受不了了，发生猛烈的热核燃烧，短短几分钟就把核心6%的氦元素变成碳元素。对于太阳质量的恒星来讲，氦闪释放的能量相当于太阳正常燃烧3000万年。

        然而，据计算，如此巨大的能量并不会对红巨星的外观造成什么可观测的影响，因为这种能量释放发生在恒星的深处，巨大的能量释放让热压力超过简并压，核心物质脱离简并态而膨胀，大部分能量都耗费在驱动核心物质膨胀当中，剩余的少部分能量被厚厚的外壳吸收。实际上，并不会发生电影中看到的剧烈景象。

《流浪地球》没有交代清楚的烧脑科学知识

图注：太阳从诞生到膨胀为红巨星的过程。

移动地球有多难？

        影片中，为了能够移动地球，设定了万台超级聚变发动机，每座11公里高，总共能产生150万亿吨的推力，严格来讲单位要用牛顿，换算一下，大约是150亿亿牛顿。地球的质量大约6亿亿亿千克，利用牛顿第二定律，可很容易计算发动机推动地球的加速度大约等于0.000000025倍的地球表面重力加速度，犹如蜉蝣撼大树，根本无法驱动地球脱离太阳。

        刘慈欣也曾后悔说“当时没有经验，竟把地球发动机的具体参数全部详细列出，详细到可以很方便地直接计算地球得到的加速度，计算的结果是：发动机只能给地球零点（N多个零）几的加速度，别说航行，改变轨道都不可能”。

地球为什么有被木星撕裂的危险？电影中反复提到的“洛希极限”是什么意思？

《流浪地球》没有交代清楚的烧脑科学知识

图注：地球靠近巨大木星时，行星发动机喷出的等离子体火焰显得非常纤弱无力。

        影片中，当推动地球前进的行星发动机发生故障时，地球离木星越来越近，即便后来发动机恢复运转，但仍然无济于事，地球仍然在接近木星。地球人陷入了绝望之中，到了该吃吃该喝木星的潮汐力就会把地球撕碎！在千钧一发时刻，人类靠点燃木星和地球氧气混合气体的方法，成功把地球推离危险轨道。

《流浪地球》没有交代清楚的烧脑科学知识

图注：地球的部分大气层已被木星的引力吸走。

        在天体力学中，洛希极限又称洛希半径，最早由法国天文学家洛希提出，因此称为洛希极限。我们就拿地球接近木星作为特例简单说一下：地球的物质结合在一起的主要作用力是自身的重力，当地球靠近木星的时候，木星会对地球产生强烈的潮汐撕扯作用，当潮汐力超过地球自身物质的重力结合作用时，地球就会被撕裂。地球刚开始被撕裂时，离木星的距离就是洛希极限。

        土星壮观的光环就位于土星的洛希极限内，光环中的物质无法靠自身的引力聚合成较大的天体。实际上，土星环可能就是由土星的一颗天然卫星越过洛希极限被撕裂形成的。当然也可能是土星形成时剩余的物质。还有一个有趣的例子，火星的卫星“火卫一”早晚会进入火星的洛希极限内，被火星撕裂，形成围绕火星的环状系统。科学家估计这个时间大约只有3000万年到5000万年。

《流浪地球》没有交代清楚的烧脑科学知识

图注：美丽的土星和光环系统。土星被比喻为“太空中的指环王”。

宇宙中还真有流浪行星

        从电影回到现实中，科学家还真发现宇宙中有流浪行星（Rogue planets），这样的行星不隶属于任何恒星。今年年初，清华大学毛淑德教授接受我们采访时就表示，可以利用“微引力透镜法”探测流浪行星。简单来说，微引力透镜是指当有未知天体经过背景恒星时，天体的时空弯曲效应就会突然增亮背景恒星的亮度。

        流浪行星的形成有多种原因，质量较大的可能是像恒星那样独立形成的，例如有很多行星的质量已经逼近褐矮星的程度。有些可能是中央恒星发生超新星爆炸，行星被冲击到宇宙空间。

        还有一些可能是在恒星系统形成的过程中，被其他行星的引力相互作用抛出去的。自从牛顿发现万有引力定律解释了行星运动以来，科学家就发现，由于恒星系统是多体相互作用，其实是一个混沌系统，长期来看运动是不可预测的，有一种可能就是某颗行星会被抛出太阳系。

        还有一种更精彩的情况，当恒星被黑洞吞噬的时候，其携带的行星有可能被抛射出去，形成速度极快的流浪行星。

        电影中还有一些其他的科学细节，就不一一解析了。这部小说的成功主要还在于故事情节，太阳变成红巨星，人类带着世世代代生存的家园一起逃离，本身就是一件非常浪漫的事情。