《流浪地球》里的科学奥秘
本文作者:木辛君 清华大学航天航空学院工程力学系在读博士，中国科幻银河奖/星云奖获奖作者
本文审核:刘慈欣，高级工程师，科幻作家，中国作协会员，小说《流浪地球》作者、电影监制
现实中，"流浪地球"真的可能发生吗?明知靠近木星有危险，为什么地球还要走这条路?
带着种种疑问和思考，让我们一起恶补，共同走进科学的奥秘!
"氦闪"是什么现象?
太阳会不会熄火?
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。
▲ 图注:太阳从诞生到膨胀为红巨星的过程。
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，也就不会吸收热量，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。
简单总结一下氦闪的过程:氢燃烧变成的氦物质堆积在太阳核心，核心的物质越来越多，然后发生收缩温度升高，但核心的物质处于简并态，温度的升高并不能使其自动停止收缩，温度会越来越高，当跨过1亿度的门槛时，就发生了猛烈的爆炸式氦燃烧，数分钟内就把能够燃烧的氦变成了碳。但氦闪释放的能量都被太阳本身吸收，表面居然看不出内部发生了什么。
质量小于0.5倍太阳的恒星没有足够的能力发生氦闪，而质量大于2倍太阳的恒星，发生的是稳定的、温柔的氦燃烧，无需发生氦闪。猎户座中大名鼎鼎的"参宿四"就是一颗质量是太阳10倍的红巨星，核心正在发生氦平稳燃烧变成碳的过程。对于恒星的演化而言，质量几乎决定一切，当然还要考虑其金属丰度。
▲ 图注:位于猎户座之肩的参宿四，这是一颗核心正在燃烧氦的红巨星。如果把这颗恒星放在太阳的位置，表面甚至可以触达木星轨道。
为什么要去木星?
故事背景是这样的:太阳急速老化，不断膨胀，太阳系已经不适合人类生存，于是人类为自己选了一个新的家园--比邻星(半人马座三星)。
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α"星。半人马座α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。
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。
