《流浪地球》里的科学奥秘有哪些(流浪地球的科学原理和相关知识)

现实中，《流浪地球》真的会发生吗？明知道靠近木星很危险，为什么地球要走这条路？

带着各种疑问和想法，让我们追上去，一起走进科学的奥秘！

氦闪是什么现象？太阳会熄灭吗？

根据恒星的演化规律，太阳总有一天会熄灭，但那是在五十亿年后。简单来说，当太阳核心的氢燃尽后，产生的氦在引力作用下坍缩，释放的能量进一步提高温度，点燃核心周围的氢壳。

然后太阳迅速膨胀，变成了一颗红巨星。

有一种理论认为，太阳演化产生的红巨星非常巨大，可以膨胀到地球轨道那么远。这样，水星、金星、地球都会逐渐落入太阳，被毁灭。事实上，早在太阳吞噬地球之前，地球上的海洋早已被膨胀的红巨星干涸，生命不复存在。

图注：太阳从诞生到膨胀成红巨星的过程。

氦闪发生在质量在太阳0.5到2倍之间的恒星演化末期。当核心处的氢燃尽后，形成的氦在核心处积累，氦不断积累压缩自身，密度增大到一定程度形成“简并态”。

处于简并状态的物质通过简并压力(一种量子力学效应)来支撑自身的引力，而不是通过热压。氦在核心的自我压缩也会使温度升高。但是，简并物质有一个奇怪的特性：温度的升高不会引起它的热膨胀，所以它不会吸热。

而且简并物质的导热性很好。当温度上升到1亿度时，氦受不了，发生剧烈的热核燃烧，短短几分钟就把核心中6%的氦变成了碳。对于太阳质量的恒星，氦闪释放的能量相当于太阳燃烧3000万年。

但根据计算，如此巨大的能量不会对红巨星的外观产生任何可观测的影响，因为这种能量释放发生在恒星的深处，巨大的能量释放使得热压超过了简并压力，核心物质膨胀出简并状态。

大部分能量都花在驱动核心物质膨胀上，剩下的能量都被厚厚的外壳吸收了。其实电影里看到的戏剧性一幕是不会发生的。

简单总结一下氦闪的过程：氢燃烧转化的氦物质在太阳核心积累，核心的物质越来越多，然后收缩温度上升，但核心物质处于简并状态，温度上升无法自动停止收缩，温度会越来越高。当跨过1亿度的门槛时，

发生了剧烈的爆炸性氦燃烧，可燃的氦在几分钟内就变成了碳。但是氦闪释放的能量被太阳本身吸收了，表面看不到里面发生了什么。

质量小于太阳0.5倍的恒星没有足够的能力产生氦闪，而质量大于太阳2倍的恒星产生稳定温和的氦燃烧，没有氦闪。猎户座著名的参宿四是一颗红巨星，质量是太阳的10倍。

核心正在经历氦顺利燃烧成碳的过程。对于恒星的演化，质量几乎决定一切，当然也要考虑它的金属丰度。

图注：参宿四，位于猎户座的肩膀上，是一颗红巨星，其核心是燃烧的氦。如果把这颗恒星放在太阳的位置，表面甚至可以碰到木星的轨道。

为什么要去木星？故事的背景是这样的：太阳正在迅速老化膨胀，太阳系已经不适合人类生存，于是人类为自己选择了一个新的家园——比邻星——号(三星半人马座)。

比邻星和太阳一样，也是一颗恒星，但质量只有太阳的八分之一。

地球是个庞然大物，半径6371公里，重达59万亿亿吨。但人类造出了同样庞大的行星发动机，足以在5年左右将地球推进到逃逸速度（脱离太阳引力的最低速度）。

但这个速度还远远不够。比邻星（半人马座三星）距离地球4.3光年，如果按照逃逸速度航行，需要7.7万年才能抵达，这实在是太漫长了！

即使行星发动机继续加速，达到光速的百分之一仍然不可行。于是人类想到了借助木星的“引力弹弓”，令地球零消耗改变方向、提升速度，最后到达比邻星。

那为什么行星发动机不能加速到百分之一光速呢？这是因为行星发动机的能量来自“重元素聚变”。

重元素聚变有什么限制？所谓重元素聚变并不是什么稀奇玩意儿。在宇宙深处有不少恒星“巨无霸”，内部就在进行着重元素聚变。

重元素聚变的质能转换效率是相当低的。最乐观估计，地球要达到逃逸速度，也必须烧掉7亿亿吨的石头，相当于把全球的地面挖掉40米做为燃料；要达到光速的百分之一，则必须削去地壳的一半。

如果无法靠自己的力量推动地球，那就借助精巧的轨道计算，利用天文尺度的力量——万有引力。于是人类将目光投向木星。

木星的引力弹弓是怎么回事？航天中存在引力弹弓现象，利用它，可以令航天器零消耗低改变方向、提升速度，送达目标轨道。

引力弹弓一般发生在一对重量相差悬殊的天体之间。这里我们用木星（红色球）和地球（蓝色球）举个例子，如图a和图b所示。

地球以速度V靠近木星，而木星在轨道上以速度U运行

图a：引力弹弓的示意图

足够靠近后，地球被木星引力抓住，牵引，优雅地转体半周，然后像掷铁饼那样甩出去

图b：引力弹弓的示意图

感谢木星甘当人梯的奉献精神，地球获得了木星的轨道速度U，叠加上原有的速度V，速度增加到了U+V。地球的速度和能量都增加了，却没有消耗任何燃料，就奔着新家园去了。

但如果变轨时离一颗巨行星太近的话，这趟“观光旅行”可就要不怎么愉快了。

靠近木星时，发动机为何大批熄火？当地球靠近木星时，人类突然遭遇了巨大危机：数千台行星发动机故障熄火了，全球地震，火山爆发，岩浆吞没了地下城……

图中红线部分为长城

为什么几千台发动机会同时熄火呢？为什么地震、火山都赶在这个时候来凑热闹呢？这一切灾难的根源是“洛希极限”，简单说就是地球离木星太近了，太近会发生什么呢？

超过洛希极限会发生什么呢？洛希极限（Roche limit）是天文学中的一个特殊的距离。当两个天体的距离少于洛希极限时，它们就倾向于被“潮汐力”撕碎。

计算表明，地球和木星的距离如果低于10.3万公里，那么大气就会在潮汐力的作用下脱离地球；如果距离低于7.44万公里，那整个地球都会被撕碎。

潮汐力有多可怕，我们拿一个茶壶和茶杯举例子：

图c：用来演示潮汐力的茶杯

我们在杯壁顶部倒一些水，让它在重力作用下向着杯底滑落。越靠近杯底，水滴会越拉越长，最后被拉扯到了撕裂的极限。这个极限就可以被认为是这个茶杯对水滴的“洛希极限”。

木星的引力场，实际上就是这样一个“茶杯”。地球尺寸很大，当它靠近木星时，离木星较近一侧受到的引力，将比较远一侧大得多，因此会像水滴一样被逐渐撕裂。

《流浪地球》 电影中，地球已经到达了地木“流体洛希极限”（地木距离10.3万公里）。在此处，液体和气体不再能被地球引力束缚，而倾向于逃逸；而岩石还勉强能凭借自身的硬度坚持一会儿

图d：地木流体洛希极限模拟(二维简化模型)

再靠近木星一点，地球将进入地木“刚体洛希极限”（地木距离约7.44万公里）。在此处，就连坚硬的岩石都会被引力差撕碎，地球将彻底解体

图e：地木刚体洛希极限模拟(二维简化模型)

可以想象《流浪地球》 中，人类面临的是怎样的挑战：太靠近木星不行，那样会被潮汐力撕碎；太远离木星也不行，那样无法借助引力弹弓变轨。

流浪地球的目的地——比邻星稍有天文常识的人都知道，距离太阳系最近的恒星是“比邻星”，只有4.2光年，4.2光年对于我们来说也是巨大的空间尺度了，要知道1光年大约等于9.5万亿公里。

图注：该图描绘了比邻星恒星系统中三颗恒星的关系，及在比邻星周围发现的一颗行星。

比邻星所在的恒星系统其实是包含了三颗恒星。三颗恒星肉眼是无法分开的，看起来就像是一颗恒星。由于这三颗星是半人马座最亮的星点，因此称为“半人马座”星。半人马座星是由两颗太阳大小的恒星相互围绕公转，

外加一颗相对距离较远的“比邻星”组成。这个恒星系统也是刘慈欣《三体》 小说的切入点。实际上，这样的三体系统是稳定的，不会出现《三体》 中所描述的“恒纪元”和“乱纪元”。

在2016年，欧洲南方天台发现一颗行星围绕比邻星公转，该行星距离比邻星约0.05个天文单位（750万公里），质量相当于地球的1.3倍。令人兴奋的是，该行星可能处于比邻星的宜居带上。

“宜居带”是指行星距离恒星远近合适的区域，在这一区域内，恒星传递给行星的热量适中，既不会太热也不太冷，能够维持液态水的存在。但由于比邻星是一颗红矮星，能量输出不太稳定，经常有大的爆发现象，

可能并不适合生命在其周围生存。

比邻星一直是人类设想的星际航行的首选目的地2016年4月12日，著名的俄罗斯投资人尤里米尔纳宣布了“突破摄星计划”。霍金还亲临现场为该计划站台助威。

图注：“突破摄星”计划的光帆飞行器需要强劲的地面激光阵列供能。

该计划设想在地面上建设激光阵列，然后利用激光产生的光压推动极薄、极轻的光帆高速前进，在200万千米的距离上完成加速过程，

并使光帆的速度达到光速的20%！以这样的高速奔向离太阳系最近的比邻星所在的恒星系统仅需20年。

光帆携带一个厘米大小的芯片，小小的芯片上面集成有核电池、微处理器、导航系统、通信系统、以及高清相机等等，真可谓是“麻雀虽小，五脏俱全”，是一枚真正的探测器。为了节约加速能量，

光帆和芯片的质量限制在克量级。光帆和微芯片的组合体可以成群地运行在地球轨道上，等待激光阵列的加速一个个奔向深空。

当然，这个激进的设想给当前人类的科技水平提出了很大的挑战！激光器的连续输出功率要求为100吉瓦（1亿千瓦），相当于五个三峡水电站的输出功率。这样强大的激光对光帆来说简直是噩梦，在承受极大光压的同时，

还要承受极高的温度。抵达目标后，微芯片探测器想要把信息发回4.2光年之遥的地球并接收难度极大，因为芯片的发射功率实在有限。

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。年初，清华大学毛淑德教授接受采访时表示，

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。。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。

更脑洞的情况就是大刘描绘的被高等智慧生命驱动，在宇宙中寻找寻找合适家园的流浪行星。

（来源：瞭望智库）