我們能用巨型推進器改變地球軌道嗎？

任天

影片《流浪地球》講述了在21世紀初，科學家們發現太陽急速衰老膨脹，短時間內包括地球在內的整個太陽系都將被太陽所吞沒。為了自救，人類提出一個名為“流浪地球”的大膽計劃。該計劃具體是這樣實施的：全世界所有國家合力在地球表面建造了上萬座發動機和轉向發動機，推動地球離開太陽系，用2500年的時間奔往另外一個棲息之地。

回歸到現實，雖然沒有證據表明太陽會在短期內快速衰老膨脹，以至于我們不得不馬上遠離它，但全世界生物依舊面臨太陽所帶來的長遠巨大風險。

在過去的45億年，即使發生了一系列奇妙的意外——大規模撞擊、月球形成、地球自轉持續放緩以及生命的出現等——地球圍繞太陽的軌道也幾乎沒有變化。就算受到太陽系和銀河系中所有其他物體的引力影響，地球也仍有超過99%的可能性繼續保持原有軌道，不會發生任何可察覺的變化。

從長遠來看，這將給整個地球帶來無法避免的災難，那就是太陽輻射。

即使目前全球變暖所造成的最壞情況，包括溫室氣體濃度不受控制地上升，導致嚴重的氣溫上升和地球上所有極地冰川的融化等，與太陽輻射最終造成的后果相比，那就是小巫見大巫了——如果地球軌道沒有顯著的變化，不斷增加的太陽能量輸出將在未來10到20億年內蒸發掉地球上所有的海洋，可能會殺死地球上所有的生命。

太陽所散發的光和熱由核聚變產生，而核聚變只發生在太陽的核心，那里的溫度超過400萬K；在核的最中心，溫度可高達1500萬K（相比之下，太陽表面的溫度約為5800K），那里的核聚變反應速率會隨溫度升高而迅速增大。但隨著時間的推移，將出現以下問題：太陽核心將相當數量的氫轉化為氦；氦在內核中聚集，但此時還不能進一步聚變；濃縮的氦導致引力收縮，進而導致太陽內部升溫；內核的溫度升高，導致“400萬K及以上”區域擴大，占據更大的內部空間；這導致太陽的核聚變速率逐漸增大，從而增加太陽的總能量輸出。

隨著越來越多的太陽能量到達地球，地球上的防御和反饋機制便會逐漸“力不從心”。一旦全球平均氣溫上升到100攝氏度以上，所有海洋都將會蒸發。這一情景可能發生在10到20億年后，屆時，地球上所有生命將不可避免地終結。

有沒有辦法讓地球擺脫這種命運？答案是肯定的，那就是改變地球的軌道，將我們的星球家園遷移到太陽系的另一個位置。為了達成這一目標，我們需要在南極建造一臺巨大的推進器，才能最終拯救整個地球。

如果不能阻止太陽升溫，那么讓地球遠離太陽也許是唯一可行的辦法。亮度和距離之間有一個簡單而直接的關系：每當你與光源的距離增加一倍，你感受到的亮度就減少到四分之一。以此推算，如果太陽的能量輸出增加10%，我們只需要將地球與太陽的距離增加4.9%，就能保持接收到的能量不變。

目前太陽的能量輸出每過10億年就會增加10%。乍看之下，使地球軌道改變幾個百分點似乎并不是一個特別艱難的任務。畢竟，地球繞太陽運行的軌道是橢圓的，離太陽最近的距離為1.471億公里，最遠的距離為1.521億公里。這兩個點接收到的輻射差約為6.5%，意味著如果我們能夠將地球當前的軌道替換為一個保持在遠日點距離的軌道，就可以使地球在3億多年的時間里不增加能量輸入。

然而，這不僅是一項艱難的任務，甚至可以說是一項近乎不可能的任務。地球之所以在今天這樣的軌道上繞太陽運行，就是因為在這個軌道的每一個點上，地球的動能（繞太陽運行的能量）與當前距離上太陽的重力勢能相平衡。如果我們設法使地球的動能減少，就會導致地球以更快的速度被金星的引力所吸引，最終并入金星的軌道。

在未來20億年里，我們必須將地球與太陽的平均距離從目前的1.496億公里擴大到1.64億公里，以保持從太陽輸入到地球的能量不變。但別忘了地球有著令人難以置信的質量：約為6×10千克。要讓地球進入一個更遠離太陽的穩定軌道，我們必須向地球額外輸入4.7×10焦耳的能量——這相當于人類連續20億年所產生的累計能量的50萬倍。

要向地球輸入如此巨大的能量看起來似乎是很高的要求，但也是可行的。事實上，太陽本身就有足夠的能量供我們收集——在目前的地日距離下，只要沒有東西擋住太陽光，則每平方米區域都能接收到1500w的連續光能，即每秒1500焦耳的能量，而我們有20億年的時間（約6×10秒）來完成以下工作：收集太陽能；將太陽能轉換成推力；利用這種推力來改變地球的動量和動能。

收集能量是這個問題中最困難的部分之一。有研究者提出了一個可能具有巨大前景的設想，那就是在太空中建立太陽能收集陣列。這可能需要一個規模驚人的陣列，總面積達到5×10平方米，大約相當于10個地球的表面積，才能收集到必要的太陽能。更重要的是，從另一個角度來看，我們需要的太陽能“只占”太陽總能量的0.000002%，這樣的能量規模仍然相當巨大，但并非不可能。

另一個關鍵是如何有效地利用這些能量提升地球的軌道。從物理學的角度，我們必須在一定時間內施加一個外力，產生一個能帶來加速度的脈沖，從而改變物體的動量。將火箭發射到太空的物理原理同樣適用于將地球發射到更高的軌道。我們所要做的就是施加一個推力，使地球的動量向正確的方向改變，最終推動地球離太陽更遠。

因此，我們需要一臺推進器，這種裝置（加速地球）的作用力與一個大小相等、方向相反的反作用力（排出乏燃料）相平衡。

理想情況下，我們要一直確保推進器的作用方向是準確的，使其推動地球朝著既定的移動方向前進。然而，在一個快速且持續旋轉的星球上，做到這一點非常困難。因此，假設我們能夠收集、控制、運輸并將能量轉化為有用功，那么更好的策略便是連續多次啟動行星加速推進器。

隨著上億年的時間過去，人類將不得不開始面臨大陸漂移的問題。但只要定期調整推進器的位置，使其始終保持在南極點，并直接指向地球的旋轉軸，我們就不必擔心地球軸傾角的災難性改變。由于南極的極點位置剛好在地球自轉軸上，所以將推進器安裝在南極，能夠保證其始終指向地球旋轉軸。

一旦地球表面的冰全部融化，南極洲就會暴露出來。目前南極大陸仍覆蓋著巨大的冰層，但在厚厚的冰層下，一大片陸地遠遠高出海平面。如果我們把南極洲的冰全部移走，就會發現南極點的海拔約為3000米。當我們把巨大的推進器安裝在那里，并持續啟動，就會發生一系列積極的變化：地球開始加速，并將被推到更高的軌道上；所有的推力將被利用起來，不會有一絲一毫浪費在地球當前的運動方向上；地球將被“抬升”出目前的地-日平面，但幅度較小，經過20億年的推進，地球的軌道將比現在的平面高出幾度。

不過，最重要的一點是，當我們通過持續推進增加地球動能時，我們也能更順利地跳出太陽的引力勢阱。這將使地球的軌道與太陽距離更遠，使輸入地球的太陽輻射逐漸減少，我們的行星家園也就能延續更長的時間。

雖然人類無法阻止太陽耗盡氫燃料，最終進入紅巨星階段，但我們可以通過讓地球軌道遠離太陽，為地球上的生命多爭取幾十億年的生存時間。在我們已知的整個世界歷史上——也許是整個宇宙歷史上——這將是人類進行的最宏偉的工程。

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