停止自轉的地球真能去流浪嗎?

茍利軍

在大家的期盼中，中國第一部真正意義上的硬核科幻電影《流浪地球》終于在春節期間上映了。這部影片是根據劉慈欣的同名科幻小說《流浪地球》改編而來，講述了太陽即將死亡、即將進入紅巨星的膨脹階段，地球即將被膨脹的太陽大氣所淹沒，在人類面臨生死存亡的關頭，人類聯合政府做出了一項決定，將地球作為一艘龐大的飛船駛離現有軌道，駛向距離我們最近、4.2光年的半人馬座比鄰星。

從地球原有軌道到遙遠的比鄰星，按照小說而言，這是一場長達2500年、需要100代人才能完成的恢弘計劃，它分為了5個階段——剎車階段：憑借赤道上的行星發動機的巨大推力，使地球停止自轉;逃逸階段：全功率開動行星發動機，使地球加速駛出太陽系;先流浪階段：利用太陽和木星完成最后的加速，駛向人類選定的新家園;后流浪階段：駛出太陽系后，行星發動機全功率開啟，利用500年的時間將地球加速到光速的5%0，然后滑行1300年，再調轉發動機，利用700年時間進行減速;新太陽時代：地球泊入比鄰星軌道，成為比鄰星的衛星。

這部電影被定義為硬科幻，其中包含有不少的科學成分。比如太陽在燃燒完最中心的氫之后，因為周圍的氫元素進一步發生聚核反應而產生熱量，從而使太陽發生膨脹，這一點已經為很多人所熟知，完全符合我們的科學認識，而流浪地球就是發生在這樣的背景之下。距離太陽系最近的恒星就是比鄰星，這也符合我們的認識，而且劉慈欣的小說《三體》也是以比鄰星為背景的。

整部電影涉及到非常多的天文知識，今天，就讓我們從科學的角度，選取電影當中提及的幾個場景，深入審視看其是否符合科學的原理。

問題1：

人類是否能讓地球停止轉動？

“流浪地球”計劃中的第一步就是讓地球停止轉動，盡管在電影中沒有直接展現這一場景，但是電影的旁白中有所提及，我們就先來看看這是否可以實現。

在直接回答這個問題之前，我們先了解一下地球的轉動能量有多少。關于這個數值，我們可以從網絡上搜索到，地球的轉動能是2.24×10²⁹焦耳，這個能量是非常巨大的。讓我們做一個簡單的對比，可以有更加直觀的了解。一顆原子彈釋放出來的能量差不多是100萬噸TNT當量，或者相當于4.2×10¹⁵焦耳，而歷史上曾經實驗過的釋放能量最強的大伊萬氫彈，釋放的能量差不多是5000萬噸TNT當量，相當于2.1×10¹⁷焦耳，然而相比較地球的轉動能量，還是小巫見大巫了，后者大約相當于1萬億顆大伊萬氫彈同時爆炸。

不過或許在不遠的未來，如果人類熟練掌握了重核聚變能力的話，產生能量的能力將極大提高。按照電影所說，每臺行星發動機通過重核聚變能夠產生150萬億噸的推力，那讓我們結合地球質量來進行一下估算，可以知道產生的加速度大約是0.00000025米/秒2，在赤道附近的轉動速度大約就是460米/秒。對于一臺行星發動機而言，即使能夠持續不斷地產生反推力，那么也需要21857天（大約60年）的時間才能夠讓地球停止轉動。不過按照電影所言，在這1萬臺行星發動機當中，有一部分是位于赤道之上用于減速的，如果數量可以達到100臺左右的話，那么就可以在相對比較短的時間內讓地球停止轉動。不過前提條件是，這些發動機必須持續不斷工作并且提供相同的反推力。所以這個難度可是非常的高，對于人類而言，幾乎是不太可能做到的事情。其實這里面還有一個很大的問題，如果行星發動機真能夠產生這么大的推力的話，地殼本身也承受不了如此大的推力，會被撕裂。問題2：

如果地球真不轉了，將會發生什么？

如果地球真的停止轉動，那么地球上將會發生什么樣的變化呢？

最直接的一個后果，就是目前地球上幾乎所有的大陸都會被海洋所淹沒。這一點的確在電影當中有所提及，原因很簡單，在地球轉動的時候，因為離心力的緣故，作為液態的海洋會朝向赤道附近聚集，所以一旦地球停止轉動，這些水會向兩極流動，從而造成大陸被淹沒。根據美國ESRI公司的動畫模擬，最終幾乎所有的大陸都會被淹沒，只剩下赤道附近的一圈超級大陸凸顯出來，如果人類想要繼續在大陸上生存下去的話，這將會是唯一的希望，不過在電影當中，人類是移居到了地下生活。

需要指出的是，即使對于赤道附近的唯一大陸，也是充滿了很多危險。在轉動的時候，同樣是因為離心力的作用，地球的赤道地殼會顯得更為突出一點，然而在沒有轉動的時候，因為赤道附近缺少離心力，所以很可能會導致板塊坍縮，從而引發一系列的全球地震或者海嘯。這樣一來，不僅修建在地面上的那些行星發動機將很難存在，而且人們想居住在地下也是非常困難的。

因為沒有了轉動，地球一天的時間將會變得極為漫長，將會等同于地球圍繞太陽轉動一年的時間，一年看到一次日出和日落，幾乎有一半的時間一直處于白天，而另外一半時間一直處于黑夜當中，就仿佛我們在南極或者北極所經歷的極晝或者極夜那樣。盡管有地球大氣的存在，但是遠離太陽的一面，還是會因為長期得不到太陽的照射，從而溫度變得很低，不太適合生命的存在。

盡管我們對于磁場的產生機制并不是非常清楚和確定，一種流行的說法就是因為地球外殼層和內核之間的轉速不同導致的。如果地球自轉停止，而且兩個區域都停止，那么地球磁場有可能會突然消失。通常情況下，地球磁場不僅能夠為我們指明南北方向，更重要的是磁場起到了對地球的保護作用，能夠將來自于太陽的帶電粒子屏蔽于地球大氣之外，讓太陽粒子很難直接穿過磁場進入低層大氣，也就保護了地球大氣層不會丟失掉。不過這些帶電粒子會沿著磁力線向兩極運動，最終與大氣中的粒子相互作用，使得粒子發生激發，從而產生我們所看到的極光。我們已經知道，現在的火星大氣僅僅是地球大氣質量的1%，而在三四十億年前，火星也像目前的地球一樣，有著海洋，有著濃厚的大氣，非常溫暖，非常適合生命居住。然而就是因為后來火星磁場的整體消失，在太陽風的沖擊之下，火星大氣逐漸逃逸到了太空當中，火星才變成了如今的模樣。如果地球沒有了磁場，那么我們的地球也將經歷這樣的遭遇。

在電影中，觀眾看到了一個被冰雪封凍但保存完整的世界，但是我們通過上面的分析可以得知，如果我們真的能夠讓地球逐漸停止轉動，那么在這一過程中，地球其實已經發生了巨大的變化，城市建筑早已經在地殼的變化過程中不復存在了，完全不是電影當中所展現的那樣。

問題3：

脫離木星引力的方法合理嗎？

整部電影所展現的一個主題，就是如何擺脫木星的剛體洛希極限點。

在這里，我們需要先明白地球駛入木星周圍的原因。木星引力是如此之強，為何地球不躲著木星行駛？其實在電影當中，聯合政府本來想通過一種叫做引力彈弓的效應，利用木星對地球進行加速，沒想到部分行星發動機失效，導致地球被木星吸引而逐漸進入木星的剛體洛希極限，從而出現了電影中的災難。

引力彈弓效應在探測器飛行中被廣泛使用，通常被當成一種節省能源的加速方式，美國發射的“旅行者一號”就是利用木星和土星兩次引力加速，才得以逃出太陽系。這個效應的原理其實非常簡單，因為行星本身也在圍繞太陽轉動，所以在行星吸引探測器或者其他天體的同時，實際上就賦予了探測器或者其他天體一部分速度，當探測器或者其他天體逃離出去的時候，就相當于被加速了。我們可以舉一個簡單的類似例子來理解。如果我們站在靜止的地面上向運動的火車頂上扔一個網球，在網球被彈起來的時候，地面上靜止的人看到的網球的速度，其實就是火車速度和網球原來速度的疊加。所以當天體從某個行星周圍逃離的時候，其實就是兩種速度的疊加。

接下來，我們再來解釋一下電影中出現的燒腦名詞：剛體洛希極限。簡單說來，這就是一個類似地球的巖質天體被木星的潮汐力撕碎的極限半徑。因為距離木星很近，在靠近木星和遠離木星的地球表面上會感受到不一樣的木星引力，我們把這種力的差別稱為潮汐力。距離木星越近，這種潮汐力就會變得越大，當潮汐力大到一定程度時，整個地球就會被撕裂，這個特殊的臨界距離就被科學家們稱為剛體洛希極限。所以我們可以想象一下，一旦地球跨過了這個點，地球會被粉碎，地球上的人類肯定無一生存，“流浪地球”計劃也將隨之破滅。而按照電影當中所言，這也是為什么聯合政府看到地球即將跨過洛希極限點的時候，就已經打算放棄地球而保留太空站，讓太空站成為人類文明延續的諾亞方舟。

不過，我們計算過木星一地球的剛體洛希極限點，結果發現這個半徑要比木星的半徑還要小，所以預期中的地球撕裂現象并不會發生，最主要的原因是因為木星沒有地球那么致密。

再讓我們回顧一下電影當中地球擺脫木星引力的場景：在地球即將進入木星的剛體洛希極限點之前，地面上的救援隊試圖將所有行星發動機的能量集中到其中一個，然后去噴射點燃木星的大紅斑，但是因為部分發動機沒有完全工作，所以沒能成功。在這緊急關頭，吳京扮演的宇航員劉培強駕駛著空間站在粒子流當中爆炸，空間站攜帶的巨大能源彌補了行星發動機的能量不足，最終木星大紅斑被成功點燃，產生劇烈的沖擊波，這股來自于木星的氣體巨浪將地球從木星周圍推走，避免了被木星引力撕碎的危險。

木星大紅斑中的氫可以被點燃嗎？木星的氣體沖擊波真的能將地球推走嗎？簡單的答案就是這兩個情形都不太可能發生。如果要想讓大紅斑中的氫燃燒，需要有充分的氧氣混合，即使包含大量氧氣的地球大氣被吸積到木星表面，但因為時間很短，也不會和氫氣均勻混合，所以產生大規模燃燒的可能性非常小。而且，就算可以燃燒發生爆炸，能產生非常強的沖擊波，也不太可能對地球本身產生極大的影響。因為沖擊波其實就是高速運動的氣體粒子，非常類似于來自太陽巨型爆發產生的太陽風，即使這些氣體粒子直接作用于地球表面，也并不會產生很強的推力，在一定程度上非常類似我們常說的一句俗語：蚍蜉撼大樹—一自不量力。

當然，在此之后，地球在太空流浪的征途也并非一帆風順，逃離木星的剛體洛希極限點也僅僅是萬里征途中碰到的一個小插曲。木星軌道之外，有著包含冥王星的小行星帶，最外層還有一個呈現為球形的奧爾特星云，這些區域布滿了大小不一、密密麻麻的小行星，而且這些區域的尺度非常大，尤其是奧爾特星云，一直可以延伸到大約比鄰星距離的一半。所以在抵達比鄰星之前，地球如何安全地經過這些小行星帶，如何避免被小行星不斷撞擊，也是很有挑戰的。

即使人類的技術能夠順利抵達比鄰星，根據科學家的研究發現，比鄰星的周圍并不適合生命居住。比鄰星的質量只有太陽質量的1/7，所以適合生命發展的宜居區也就距離中心恒星很近，中心恒星劇烈的爆發有可能會將存在的生命殺死。而且在2016年的時候，科學家在比鄰星周圍已經發現了一個位于宜居區內的行星，所以到時如何讓地球精確地存在于宜居區的另外一個軌道上，而不與現有行星相撞，那也是一個極大的挑戰。

無論如何，地球的流浪之路會是非常艱辛。不過我們需要知道，在所有人類面臨危機的時候，將地球整個兒當成一艘飛船移走，是一個非常大膽且富有想象力的想法，盡管從科學的角度來看，在可以預見的時期內，人類的能力無法實現。不過電影作為一門藝術，它不是生活或者科學的完全再現，所以盡管這部電影中包含了許多不科學的想象，但是我們依舊要為之鼓掌。科學是人類進步的動力，而想象則為人類進步指明了方向，讓我們先去享受電影《流浪地球》帶給我們的欣喜吧。

（責任編輯：白玉磊 責任校對：司明婧）