今年春節(jié)檔，《流浪地球2》回來了，動(dòng)人心魄的故事情節(jié)、酷炫的特效、硬核的科技范兒讓無數(shù)影迷大喊過癮。

那么，電影之外，整個(gè)流浪地球的宏大背景和其中的科幻設(shè)定，讓人充滿好奇，太陽氦閃有多可怕？地球真的有必要流浪嗎？小說和電影中的講述真的科學(xué)嗎？宇宙學(xué)家怎么看？

2023年1月，混沌文理院第四期第五模塊“物理與宇宙”在古城長沙開課。中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷老師在“文理夜話”中為同學(xué)們解析了今年春節(jié)檔最火爆的電影之一：《流浪地球》。

陳老師的解析分為以下五個(gè)部分：

1. 太陽會(huì)老化嗎？

2. 地球是否有必要流浪？將去向何方？

3. 流浪地球真能實(shí)現(xiàn)嗎？

4.木星、潮汐、洛希極限

5.真實(shí)世界的行星遷移和流浪行星

本文選取了課程中前兩個(gè)小節(jié)的小部分內(nèi)容，回答“太陽會(huì)老化嗎”和“地球是否真有必要去流浪以及去往何方”兩個(gè)最為核心的問題。

混沌文理院為混沌旗下文理教育品牌，今年已經(jīng)第五年。我們致力于邀請(qǐng)國內(nèi)著名的教授、學(xué)者，為學(xué)員提供涵蓋哲學(xué)與世界、生物與宇宙、藝術(shù)與美學(xué)、認(rèn)知與系統(tǒng)、政治與法律、思想與文化等板塊的專業(yè)文理教育。文理院五期正在招生。

以下為陳老師的分享。

首先我簡單總結(jié)一下小說的內(nèi)容，不涉及里邊的具體情節(jié)，主要講其中的科幻設(shè)定。

在小說里提到就是太陽迅速衰老，即將發(fā)生氦閃變成紅巨星吞噬地球，人類為了應(yīng)對(duì)這種情況，需要把地球裝上發(fā)動(dòng)機(jī)，決定飛往離地球最近的恒星比鄰星。由于地球發(fā)動(dòng)機(jī)改變了地球轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，海嘯橫掃整個(gè)地球表面，按照劉慈欣的說法，地球上已經(jīng)有2/3的人在海嘯當(dāng)中死去，同時(shí)遠(yuǎn)離太陽和地球停止自轉(zhuǎn)導(dǎo)致地球大部分區(qū)域極度寒冷，人類轉(zhuǎn)入地下生活。

在地球加速、逃逸中，經(jīng)歷極寒、極暑、穿越小行星帶等危機(jī)，人類的生活、習(xí)俗、心理發(fā)生巨大變化。小說的主要情節(jié)就是關(guān)于經(jīng)過這些變化以后，人類社會(huì)是怎樣運(yùn)行的。

之后大家發(fā)現(xiàn)太陽一直沒爆炸，也沒有變成紅巨星，太陽好像粗看起來跟原來是基本上是一樣，由于太陽變化不明顯，人們開始廣泛懷疑太陽氦閃理論，發(fā)動(dòng)暴動(dòng)，推翻政府，處死了科學(xué)家，決定推動(dòng)地球返航。就在此時(shí)，氦閃發(fā)生，小說到此結(jié)束。

電影把大的前提和背景保留下來了，但是故事情節(jié)和小說里的完全不一樣，人物也完全不同。

在《流浪地球1》里，地球已經(jīng)駛上了航程，在飛行過程中部分發(fā)動(dòng)機(jī)失靈，地球即將撞上木星，電影里的幾個(gè)主人公穿越冰凍的地球表面，前往修復(fù)地球發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)雖然修復(fù)，由于推力不夠，尚不足以推動(dòng)地球擺脫木星引力，此時(shí)大量地球上的氧氣被吸入富含氫氣的木星，在沒有任何辦法的情況下，空間站上的航天員犧牲自己，引爆木星，爆炸驅(qū)動(dòng)地球飛離木星，這是電影第一部所講述的故事。

下面轉(zhuǎn)入科學(xué)部分的介紹，關(guān)于剛才提到的幾個(gè)科學(xué)問題?？梢詫?duì)比小說的設(shè)定，看看真實(shí)的世界里是什么樣子。

流浪地球大背景，到底什么是太陽氦閃？

太陽會(huì)不會(huì)老化？畢竟生活在太陽下，這是對(duì)人類來說一個(gè)至關(guān)重要的事情。首先看看太陽的整體結(jié)構(gòu)。

1.什么是太陽？

太陽提供了地球上的大量能量，太陽的半徑大概是70萬公里，是地球的1109倍，質(zhì)量差不多是2乘10的30次方千克，是地球的33萬倍。平均密度1.4克每立方厘米，比水稍微重一些，水是1克每立方厘米。光度是3.854乘10的26次方瓦這樣一個(gè)量級(jí)，表面的重力是地球的28倍。比較重要的是表面溫度，太陽的表面溫度是 5880K ，K是一個(gè)溫度的單位叫開爾文，與攝氏度類似，簡單的理解，攝氏度加上273 就等于開爾文。其中心的溫度是1500萬K ，所以太陽表面較涼 ，里面非常熱。關(guān)于成分，太陽里面大部分是氫和氦，其他占比大概2%左右，這是太陽。

下面這張圖顯示了太陽的整體結(jié)構(gòu)，用肉眼可以看到一個(gè)球，叫光球?qū)?，如果用攝影機(jī)拍攝，會(huì)看到外環(huán)一層紅色，叫色球?qū)?，我們能看到的就是光球?qū)雍蜕驅(qū)印?/p>

另外有時(shí)候太陽表面有所謂的黑子，噴出來這種環(huán)狀的叫日珥，太陽會(huì)爆發(fā)產(chǎn)生耀斑，在周圍顯成形成日冕等等。這些日冕就是周圍像氣體一樣的包，在日食出現(xiàn)時(shí)可以看到，太陽里面的情況無法直接看到。

太陽中心的地方有一個(gè)球叫做核，發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生能量。在核之外有一圈叫做輻射層，這里面基本上沒有對(duì)流，完全是靠輻射傳熱，再外面有一層叫對(duì)流層。

理論上推算是這樣，那么我們?cè)趺粗肋@個(gè)理論是不是正確的呢？雖然不能直接看到太陽內(nèi)部，但也有一些觀測檢驗(yàn)。經(jīng)過一些比較，比如看到太陽表面有震動(dòng)，叫日震學(xué)，這些震動(dòng)可以反映太陽內(nèi)部的結(jié)構(gòu)；另外太陽中心核反應(yīng)釋放的中微子可以被探測到等，通過這些理論和實(shí)驗(yàn)的比較，人類對(duì)太陽的結(jié)構(gòu)有較大把握。

2.恒星演化

接下來講到赫羅圖 （Hertzsprung-Russell diagram），這兩個(gè)是天文學(xué)家的名字，赫羅圖是只有在天文課里才會(huì)講的一個(gè)內(nèi)容。赫羅圖乍看起來很復(fù)雜，實(shí)際上了解它的結(jié)構(gòu)后并不難懂。

我們首先要理解它的軸，有橫軸和縱軸。圖底部的橫軸和圖上部的橫軸是不同的，左邊的縱軸和右邊的縱軸也是不同的，那這些軸是什么意思呢 ？底部橫軸標(biāo)注了幾個(gè)字母，OBAFGKM，這是恒星的類型。天文學(xué)家早期觀測到了一些恒星以后，根據(jù)它們的性質(zhì)進(jìn)行分類，第一個(gè)看到叫A型，第二個(gè)看到叫B型，依次類推，出來字母順序，后來研究發(fā)現(xiàn)這些類型有一定的規(guī)律，但并不是按ABC這樣的字母次序排列，而應(yīng)該是按照次序OBAFGKM排列。為了記住這一堆字母 ，大家編了一個(gè)口號(hào) ，叫做Oh Be A Fine Girl，Kiss Me，有助于記憶。其實(shí)，這個(gè)次序反映了恒星質(zhì)量由大到小。

上邊的橫軸可以看到寫的20000、10000、6000、3000，這是恒星的表面溫度，太陽表面大概接近6000K，不同的恒星表面的溫度不同，與我們一般習(xí)慣的從左向右遞增不同，這條橫軸是從右向左增加的。

左邊的橫軸標(biāo)注的是絕對(duì)星等。星等是天文學(xué)家用來標(biāo)志恒星亮度的東西，古時(shí)候古希臘的天文學(xué)家記錄星星亮或者暗，完全是靠肉眼，把最亮的星叫一等星，最暗的星叫五等星，以此類推?，F(xiàn)在的測量基本上保持跟古希臘人一致，形成了星等，所以會(huì)發(fā)現(xiàn)，也正好是反著，越往上是越負(fù)的數(shù)，越往下是越正的數(shù)，往上代表星更亮一些，往下代表星更暗一些。絕對(duì)星等是假定所有星都在同樣距離時(shí)看到的星等，這樣排除了距離因素，反映了恒星本身的光度。

右邊的縱軸比較容易理解，拿普通的光學(xué)流量單位來表示恒星光度。

這張圖是如何形成的？在天空中看到這一顆星，把它的表面溫度測出來，絕對(duì)星等或者說光度測出來，就點(diǎn)在這張圖上。上圖是個(gè)簡化版本，圖里給人的感覺好像是各個(gè)溫度的星的數(shù)量都差不多。實(shí)際上并不是這樣，如果實(shí)際測量的話，分布在右下角的星（也就是質(zhì)量小的星）非常多，左上角的星（質(zhì)量大的星）比較少，但是如果畫得太多了，密密麻麻一團(tuán)看不清楚，所以在恒星太多的地方基本上就只抽選了一些，最后畫出來成為上圖。

畫完后會(huì)發(fā)現(xiàn)很有規(guī)律，首先沿著對(duì)角線方向，有長長的一條。在這個(gè)長條之外，左下角有一堆 星，然后右上角有兩堆 。

所以，天文學(xué)家一開始并不知道其中的原因，但是根據(jù)現(xiàn)象做了一個(gè)研究，這一堆長長的沿著對(duì)角線這一條，好像是一個(gè)序列，叫主序星。主序星按今天的理論去理解，就是核燃料充足正在正常進(jìn)行核燃燒的恒星。還有巨星和超巨星，一開始大家把更亮的這些星叫巨星，后來又發(fā)現(xiàn)了一些更加亮的，叫超巨星，主序星的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于這兩種。

主序星壽命結(jié)束的時(shí)候，就會(huì)轉(zhuǎn)化成巨星和超巨星，這兩者的數(shù)量就比主序星要少很多，這是因?yàn)橹餍蛐堑膲勖蛘哒f是持續(xù)的時(shí)間比較長，巨星的壽命比較短，所以一眼望去，主序星很多而巨星不太多。

星星比人類要幸運(yùn)，人到年紀(jì)大了就去世了，星星死亡后沒有徹底消失，在赫羅圖上看就是從巨星會(huì)跑到下方形成那一堆特別暗星，這些特別暗的星叫白矮星。暗的這些星的溫度也很高，暗的原因是由于星變小，這些星雖然溫度表面溫度很高，也在發(fā)光，但是由于面積很小，所以較暗。

這一頁上面還有一張圖，熱輻射的溫度和顏色有關(guān)，溫度越低的越紅，溫度越高越藍(lán)，這與日常有點(diǎn)不同，日常我們把紅色叫暖色，藍(lán)色叫冷色?？催@些星的顏色不一樣，有的是紅色，溫度比較高的就變成藍(lán)色，太陽大概是黃色，在G型星這個(gè)位置上，這是天文學(xué)里跟我們今天要說的有關(guān)的一些核心內(nèi)容 。

有了這幾個(gè)工具以后，來理解太陽的衰老問題。

3.紅巨星和氦閃

首先，太陽在不斷釋放能量，大約是3.8乘10的26次方瓦。其中向各個(gè)方向都有，地球收到的只是其中一小部分，大概10的17次方瓦左右，而當(dāng)前人類用的能量大概是10的13次方瓦。

太陽的能量來源是4個(gè)氫原子核成聚變成一個(gè)氦原子核。氫原子核實(shí)際上就是一個(gè)質(zhì)子，氦原子核里有兩個(gè)質(zhì)子、兩個(gè)中子，這個(gè)反應(yīng)釋放能量。上圖展示了過程，兩個(gè)氫核首先聚變形成一種物質(zhì)，同時(shí)釋放一些光子和中微子，形成的東西是2H叫氘，是氫的一種同位素。兩個(gè)氘核再反應(yīng)，形成的核叫做氦-3 ，同時(shí)再釋放出一個(gè)中子。同樣另一邊也形成一個(gè)氦-3，兩個(gè)氦-3再反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)氦-4再加上兩個(gè)質(zhì)子，，這樣就形成了一系列反應(yīng)鏈。這種反應(yīng)鏈叫PP鏈，與此同時(shí)還有其它不同的反應(yīng)鏈也可以導(dǎo)致氦-4的合成?？傊?，通過這樣一系列反應(yīng)，在每個(gè)反應(yīng)當(dāng)中都會(huì)釋放一些能量，提供最后的能量總和。

在這里有個(gè)問題，任何東西最后都會(huì)耗光，核聚變確實(shí)可以釋放很大的能量，但氫核也是有限的，持續(xù)進(jìn)行一段時(shí)間后就耗光了。核聚變需要很高的溫度才能進(jìn)行，太陽中心的溫度最高，所以核聚變一開始只在中心的一個(gè)小層，就是剛才說的太陽的核心里頭。它產(chǎn)生的能量則以輻射的形式向外傳播。

太陽里有很多物質(zhì)，所以光子不會(huì)一下子傳出來，撞到外面的物質(zhì)后，把外面的物質(zhì)加熱，然后這些物質(zhì)再進(jìn)一步往外輻射 ，這樣一步一步往外出。同時(shí)光也有壓強(qiáng)，這部分壓強(qiáng)很重要，恒星內(nèi)所有的東西都有一個(gè)壓力和重力平衡的問題，靠里面的地方壓強(qiáng)比較大，來抵抗萬有引力導(dǎo)致的物質(zhì)往里落的趨勢，所以高壓也非常重要。由于聚變只有在溫度高的地方才能進(jìn)行，所以只在太陽中心的一小塊地方有這種核反應(yīng)。

經(jīng)過一段時(shí)間后，太陽從形成到最后經(jīng)過120億年核心里的氫最終耗盡。這個(gè)120億年是計(jì)算出來的，不同質(zhì)量的恒星，或者不同成分的恒星，都可以用不同的模型去計(jì)算。

最后的中心，核反應(yīng)都聚完了以后只剩下灰燼，這個(gè)灰燼就是氦核，那時(shí)候核反應(yīng)就結(jié)束了，就像一個(gè)爐子，里面的煤燒完了，爐子就冷了。聚變結(jié)束時(shí)核心變冷，輻射壓降低，這時(shí)它在周圍物質(zhì)引力作用下就會(huì)往中心凝聚收縮。經(jīng)過一段時(shí)間收縮，中心溫度和壓強(qiáng)升高，周圍的溫度和壓強(qiáng)也相應(yīng)上升，這樣在圍繞著氦核中心的圈球殼里，雖然原來不發(fā)生聚變反應(yīng)，但現(xiàn)在也可以發(fā)生氫的聚變了。

這一殼層發(fā)生核聚變后，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的能量反而比一開始中心的一小塊更多，產(chǎn)生的能量釋放出來后，它外面這一圈外殼，它是一個(gè)不透明的東西，所以釋放的能量并不能一下子出去，大量的能量就進(jìn)入外邊的外殼，驅(qū)動(dòng)它不斷向外膨脹。膨脹后會(huì)變得非常大，但由于往外膨脹變得很稀薄，所以最后溫度反而降低了。溫度降低后，它的輻射變成了紅色，叫做紅巨星，也就是赫羅圖上位于主序星上方的那部分星。

那么這個(gè)外殼會(huì)膨脹到多大 ？外殼最后可以膨脹到一到兩億公里，前面提到現(xiàn)在太陽半徑只有70萬公里，所以一下子脹大了100多倍，地球離太陽是1.5億公里，如果膨脹1-2億公里，就可以把地球直接吞進(jìn)去?？梢韵胂鬅o論是地球還是比地球更接近太陽的金星、水星，最后都會(huì)被它吞噬。一旦吞到里面以后會(huì)發(fā)生什么？因?yàn)榈厍蛟谔柪镞€在轉(zhuǎn)，但是太陽里有氣體會(huì)產(chǎn)生阻力，地球的能量逐漸喪失，就會(huì)越來越往下掉，最后掉到太陽中心。

所以說《流浪地球》所擔(dān)心的事情非?？膳?。

這會(huì)發(fā)生在什么時(shí)候？可能為了故事需要，小說里修改了科學(xué)規(guī)律。因?yàn)槟壳暗念A(yù)測，太陽整個(gè)燃燒要持續(xù)120億年，根據(jù)現(xiàn)在太陽系里的一些隕石，或者月球年齡的測量，發(fā)現(xiàn)太陽系應(yīng)該存在了大約46億年，可以推測它應(yīng)該還有70多億年的時(shí)長。所以，我們并不用太擔(dān)心太陽變老的問題，如果拿一個(gè)白天做比喻，太陽現(xiàn)在還沒到中午，基本上相當(dāng)于比較晚的上午，我們茶歇的時(shí)間。所以說太陽最終會(huì)老化，但并不是現(xiàn)在。

太陽在變成紅巨星以后會(huì)，還可以發(fā)生進(jìn)一步的核反應(yīng)。宇宙當(dāng)中絕大多數(shù)物質(zhì)就是氫和氦。那么氫全部燃燒后，只要溫度足夠高，氦還可以繼續(xù)發(fā)生聚變，形成更重的元素， 比如碳。

這個(gè)過程不是一開始就進(jìn)行的，需要一段時(shí)間。

氫在中心氦核周圍的這一殼層里反應(yīng)，把燃料也燒光了，變成了氦，氦越聚越多，但是氫聚變停止后壓強(qiáng)又減小了，于是又會(huì)收縮下壓，導(dǎo)致太陽中心的溫度變得越來越高，高到一定程度后達(dá)到氦的核聚變?nèi)键c(diǎn)，氦就燒起來了。

這就好像一種很難燒的燃料平時(shí)很難點(diǎn)燃，突然有一個(gè)很高的溫度去點(diǎn)它，就著起來了。這個(gè)氦突然發(fā)生的核聚變反應(yīng)就叫做氦閃。氦閃時(shí)中心會(huì)一下子釋放大量的能量，但是這些能量并不是一下就可以看到，因?yàn)槠渫饷孢€是有一層不透明的外殼 ，大量的能量轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)外殼進(jìn)一步往外膨脹，膨脹得更大，這就是所謂氦閃 。由于這個(gè)過程比較復(fù)雜，而氦閃又是一個(gè)很短時(shí)間的過程，現(xiàn)在人們還不完全確定氦閃時(shí)從外面到底會(huì)看到哪些現(xiàn)象。

在《流浪地球》里也提到了氦閃，在這個(gè)科幻里的科學(xué)家認(rèn)為幾百年后太陽要發(fā)生氦閃，所以要驅(qū)動(dòng)地球跑掉，實(shí)際上劉慈欣可能對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解有誤，他把太陽變成紅巨星和氦閃當(dāng)成同一件事情，其實(shí)并不完全是這樣，先有紅巨星，然后經(jīng)過一段時(shí)間后形成氦閃，實(shí)際上是兩個(gè)事情 。

地球是否有必要去流浪，將去向何方？

按照這樣的設(shè)定，就帶來這樣一個(gè)問題，是否有必要去流浪，流浪到哪兒去？其實(shí)按照剛才的分析并不太需要流浪到太陽系之外。現(xiàn)在地球在太陽系內(nèi)所處的位置叫做宜居區(qū)，宜居區(qū)是指它離太陽既不太遠(yuǎn)，也不太近，太近的話太熱了，水會(huì)變成水蒸氣，太遠(yuǎn)的話太冷，水會(huì)變成固態(tài)，形成冰，生命需要液態(tài)水，所以說對(duì)太陽系來說，地球、火星所在區(qū)域叫做宜居區(qū)，這里的行星溫度處在液態(tài)水可以存在的范圍內(nèi)。

宜居區(qū)的位置取決于太陽的輻射有多亮。在太陽變成紅巨星后，原來的位置不適宜，但只要離得遠(yuǎn)一些，還是有宜居區(qū)。只要把地球移動(dòng)到木星跟土星之間的位置，這一片區(qū)域仍然是宜居區(qū)，所以說并不需要跑那么老遠(yuǎn)，紅巨星的時(shí)間依然可以持續(xù)大概一億年，足夠繁衍很長時(shí)間。

但故事中說要移到另外一個(gè)地方去，選定的地方叫比鄰星，比鄰星實(shí)際上是所有恒星當(dāng)中離地球最近的一個(gè)。下面圖中左邊顯示了銀河系，其中心一片是銀河系的核球，而太陽在外面的銀盤里，這一條一條的是銀河系的旋臂。中間的小圖顯示了太陽系的鄰居，其中中心是太陽，周圍有很多恒星，這里面有一些是我們平時(shí)比較熟悉的恒星。圖內(nèi)也顯示了比鄰星，包括比鄰星所在的系統(tǒng)叫做半人馬座α星，半人馬座α比比鄰星稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)。

比鄰星跟太陽比較相似，比太陽質(zhì)量稍微小一點(diǎn)，比較暗，在地球上肉眼看不見。但半人馬座α本身很亮，是一顆南天的亮星，到南半球可以看到著名的南十字，像澳大利亞和新西蘭，國旗上都畫有南十字，在南十字下方很容易找到半人馬座α。

比鄰星還有整個(gè)半人馬座α，是離地球最近的系統(tǒng)，所以經(jīng)常出現(xiàn)在科幻片里，不僅僅《流浪地球》里是這樣，《三體》里的三體星系就是半人馬座α。在《三體》里，三體人也就是半人馬座α的人，跑到地球來侵略，而在《流浪地球》里是跑到半人馬座α去。

不僅限于它，《變形金剛》《阿凡達(dá)》的基地也在比鄰星。

這里有個(gè)問題，電影里說流浪地球要經(jīng)過木星，可問題是去比鄰星似乎并不經(jīng)過木星 ，為什么這么說？木星在太陽系內(nèi)沿著一條軌道移動(dòng)，位置不固定，但木星軌道和地球軌道一樣，都在同一平面上，這個(gè)平面叫黃道面，就是星圖上綠的這條線。這張圖上可以看到，藍(lán)藍(lán)的是銀河的方向，比鄰星也在銀河里，大概的位置離綠線有一段距離，并不經(jīng)過那里，所以這里會(huì)問，為什么去半人馬座α要先經(jīng)過木星，好像不在一個(gè)方向上，而應(yīng)該是駛離黃道面。但其實(shí)，這里的情況比較復(fù)雜。

我們下面在討論“流浪地球是否真能實(shí)現(xiàn)”時(shí)會(huì)看到，由于流浪地球的推力有限，它并不是一下直接飛向半人馬座，而是逐漸加速，并試圖利用木星的引力彈弓效應(yīng)改變方向。

版權(quán)說明：
本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，版權(quán)歸原創(chuàng)者所有。部分圖片源自網(wǎng)絡(luò)，未能核實(shí)歸屬。本文僅為分享，不為商業(yè)用途。若錯(cuò)標(biāo)或侵權(quán)，請(qǐng)與我們聯(lián)系刪除。

本文僅代表作者觀點(diǎn)，版權(quán)歸原創(chuàng)者所有，如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)?jiān)谖闹凶⒚鱽碓醇白髡呙帧?/p>

免責(zé)聲明：本文系轉(zhuǎn)載編輯文章，僅作分享之用。如分享內(nèi)容、圖片侵犯到您的版權(quán)或非授權(quán)發(fā)布，請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系進(jìn)行審核處理或刪除，您可以發(fā)送材料至郵箱：service@tojoy.com