從中學物理看《流浪地球2》

張軍

簡單來說，《流浪地球2》就是一個講人類“帶球跑路”的故事。不過，對初中生來說，要真正看懂故事發生的背景、情節發展的脈絡、呈現的施工或戰斗場景，還是有難度的。今天，我們就對初中物理課本知識做個簡單拓展，重點談談核聚變，回答大家的幾個疑問。

從物理角度看太陽

我們知道，物質由大量分子構成，分子由原子構成，原子由居于原子中心的帶正電的原子核和核外帶負電的電子構成，原子核由帶正電的質子和不帶電的中子構成，而質子和中子由夸克構成。當把物質分到夸克或電子，就不能再分了。

我們根據原子核里的質子數目來區分元素種類。具有最簡單的原子結構的是1 號元素氫，它有3 種同位素，分別是氕（原子核里只有一個質子，沒有中子）、氘（原子核里有一個質子和一個中子）、氚（原子核里有一個質子和兩個中子）。

同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，所以在通常情況下，兩個氫原子核很難靠近。太陽的主要成分是氫，高溫環境使得氫原子核與周圍的電子分離開來，形成溫度極高的等離子體。太陽核心溫度超過1 500 萬℃，壓強達到2 650 億個大氣壓。在這樣的高溫、高壓下，氫原子核就會“擁抱”到一起——4 個氫原子核被擠成了2 個氦原子核，但是質量損失了千分之七（圖1，質量損失示意圖）。損失的質量m 轉化為能量E，且E=mc2（愛因斯坦的質能方程，c 是光速），這就是核聚變，是太陽光和熱的來源。你可以把太陽內部看成是一顆一直在爆炸的氫彈，但太陽外層達不到核聚變的高溫、高壓條件，聚變無法發生。核反應在太陽內部產生的壓力可以和向內的引力相抗衡，保持了太陽相對穩定的結構。這個時候的太陽處于青壯年時期，屬于主序星。

太陽表面的光球層溫度約為6 000℃，可見光基本上都是從這里發出的。光球層外部包圍著溫度約為1 萬℃、厚度超過2 000 千米的色球層（稀薄的等離子體）。色球層之外包圍著約200 萬℃的日冕層，這里發出的主要是X 射線和無線電波。

色球層某些地方的溫度會突然升高到1 000 萬℃左右，爆發“耀斑”，發射出強烈的紫外線和X 射線。色球層噴出的火焰會沖出日冕層，形成高達數萬千米到數十萬千米的環狀火焰，這就是“日珥”。

所以，太陽不只是發出可見的七色光以及紅外線、紫外線，還發出無線電波、微波、X 射線、γ 射線。所有這些光、射線有個總稱，叫作“電磁波”（圖2，電磁波譜）。

太陽光球層上會出現“黑子”，這是光球層物質劇烈運動形成的強磁區域，此處溫度比周圍區域低一兩千攝氏度，相對來說有些暗，而實際上它比剛出爐的鋼水還耀眼。

太陽活動活躍時，磁場變強，黑子數目增加，耀斑和日珥增多；太陽活動減弱時，磁場變弱，黑子數目減少，耀斑和日珥也減少。這個強弱變化的周期大約是11 年，這就是人們常說的太陽活動周期。

太陽會給地球帶來風險嗎

日冕中的等離子體會不停地流向宇宙空間，我們形象地稱之為“太陽風”。耀斑爆發時，會發射出大量的X 射線、紫外線，同時將等離子體加速甩向宇宙空間，這被稱為“日冕物質拋射”。被甩出的質子、電子、α 粒子（氦核），以及發射的紫外線、X 射線等，我們稱之為“太陽宇宙射線”。如果太陽出現耀斑的地點正好朝向地球，襲擊地球的太陽宇宙射線會更強勁，“風”就變成了“風暴”。這是太陽帶給我們的最常見的風險。

好在地球有地磁場這個“防護罩”，它會讓太陽風改變路徑，轉彎繞過地球，到達地球南北極上空。當太陽風與稀薄大氣中的氧、氮等氣體的原子發生碰撞時，會發出絢麗的光，這就是極光（圖3）。

如果沒有地磁場的保護，大氣中的分子和原子就會一點點地被太陽風中的粒子撞飛，地球可能早就沒有大氣層了。

如果耀斑爆發，太陽風暴帶著各種電磁波來襲，地磁場將出現巨大擾動。這時，極光漫天飛舞，衛星出現故障，空間站和飛機內部受到的輻射量增加，遠距離通信被迫中斷，全球衛星定位及導航系統失靈……強烈變化的電磁波還可能在各種金屬網絡中產生強大的感應電流，讓輸電設備出現故障，導致停電。于是，所有利用電流工作的設備全都不能正常工作，銀行歇業、商超關門、高鐵停運、互聯網中斷……所以，一個現代化的城市必須有遭受太陽風暴襲擊的危機管理預案。最近的一次耀斑大爆發，極有可能出現在2023 年到2025 年之間。目前，我們已經有能力對太陽爆發的全過程進行監測，預警能力正在不斷提升。

另一個致命的風險，就是影片中提到的所謂“氦閃”。

據計算，太陽內部的氫可以燒100 億年（目前已經燒了46 億年）。當核心的氫燒完，全部變成 “氦灰”之后，太陽就變成了紅巨星。外圍的氫原子核開始聚變并導致太陽膨脹，內部的氦原子核難以發生聚變，在引力作用下繼續向內坍縮，進入量子力學的“簡并態”。外圍氫原子核的燃燒讓核心的氦灰不斷累積，經過復雜的物理過程，氦灰密度不斷增加，溫度不斷升高。當溫度升高到1 億℃以上，簡并態物質會突然失控，發生爆炸，在幾秒鐘內釋放出超高的能量，點燃氦灰，引發核聚變。這就是“氦閃”——簡并態物質自然引發的爆炸，起到了“引燃”氦的作用。這種“引燃”會在一段時間內時不時地“閃”一下，直到核心的簡并態消除，開始穩定地燃燒剩余的氦。

大家會從各種信息渠道看到對太陽“氦閃”的各種解釋，主要是因為其中的過程太過復雜了，多是理論闡釋，無法用實驗直接研究。而且“氦閃”的能量大部分被太陽自身吸收，外界幾乎看不出亮度的變化。到目前為止，人類還沒有觀測到過哪怕是一顆氦閃的恒星。當太陽核心的氦燒完，主要會變成碳；太陽在引力作用下坍縮，變成高密度的白矮星。

其實，在氦閃發生之前，由于太陽的膨脹，地球可能早已“熟透”或者“烤焦”，甚至“灰飛煙滅”了。

恒星質量若超過太陽的8 倍，就可以將核聚變繼續推進，每次推進都會形成一些更重的元素，讓恒星更膨脹一些，形成類似洋蔥結構的多層核聚變空間。但元素越重，聚變產生的能量就越少，就越難以支撐恒星向內的巨大壓力。當聚變到鐵元素時，由于鐵元素的結構極其穩定，聚變時將不產生能量，恒星將發生爆炸，這就是超新星爆發。爆發時產生的超大能量讓各種核聚變迅速發生，宇宙中所有的元素都會被聚變出來。這就是自然界元素的由來。

大爆炸之初，宇宙中只有大量的氫元素和少量的氦元素，鐵元素之前的所有元素都是經過恒星的原子“鍋爐”聚變出來的，其他重元素則是“鍋爐”爆炸的副產品。從這個角度看，金、銀等確實都是“貴重”金屬，它們是大恒星爆炸換來的。

目前，在我們的化學元素周期表中，除了天然元素，還有不少的人造元素（標有 “*” 記號）。人造元素的途徑通常是用加速器或核反應堆等裝置，讓不同元素原子核相互撞擊，合成新核；如果新核里面的質子數與以往發現的不同，一個新元素就誕生了。因此，元素制造的本質就是將氫元素在不同條件下以不同數目聚合。人造元素都是放射性元素，除了不穩定性和放射性，它們與相應的天然元素具有相同的化學和物理性質。

“燒石頭”提供動力靠譜嗎

影片中，行星發動機是靠燃燒石頭來提供動力的，這靠譜嗎？

這在理論上是可以的，準確地說，“燃燒”的應該是石頭里的硅元素，利用硅原子核的聚變而釋放出能量。當核聚變發生后，可以直接噴射等離子流來獲取機械能，也可以先轉化為電能，再轉化為機械能。

全球的科技強國都在探索建設可控核聚變反應裝置，即“人造太陽”項目。目前，100 萬安培的等離子體電流、1.2 億℃的等離子體高溫、1 000 秒的連續運行時間，都已在我國的 “人造太陽”EAST（全超導托卡馬克核聚變實驗裝置）上分別實現（圖4）。

目前，全球使用的人工可控核聚變材料都是氫元素。而硅是14 號元素，要想發生核聚變，需要的條件更加苛刻，進行核聚變時需要投入的能量也更大，產生的能量卻沒多出多少，性價比還是比較低的。

影片中的“逐月”計劃同樣寄希望于引發月核聚變。但是，月表幾千枚核彈爆炸產生的溫度、壓強、沖擊波等，根本引發不了月核聚變。有人計算過，“逐月”計劃所需的核武器至少是當前儲量的10 億倍。

地球能流浪到目的地嗎

難。目前看來，大概率是到不了。

用行星發動機讓地球減速、轉向、加速推進，只是在理論上說說。能量之間可以轉化，力的作用是相互的，力可以改變物體的運動狀態……這都能說得通，但是如果真的這么操作了，將引發很多新的問題。比如，發動機啟動會導致地球溫度升高，南北極冰川融化，全球海平面上升，地球上將是一片汪洋。比如，地球自轉停止了，海水由于慣性會從地表無情地沖刷而過，摧枯拉朽。比如，即使地殼停止了轉動，由于慣性，地幔、地核還會自轉，有可能引起地震頻發、巖漿涌流、地磁變化……

如果月球發動機推力不平衡或者失控，很有可能“掉轉槍口”，飛向地球。

如果月球被推開，地球的運行有可能是平衡的，也有可能是“頭動尾巴搖”的。

地表5 000 米以下的城市，空氣如何流通？資源如何循環？地下環境的復雜變化如何掌控？人們如何適應地下環境？如何防止心理問題？

地球經過其他行星時，一不小心就會落入洛希極限，大氣層這件外衣很容易被“扯”走，地球還有可能會被撕碎或者“被俘”，導致“全軍覆沒”。而且，如何拒絕太空垃圾、小行星、彗星的“親吻”也會是一件煩心事。

即使順利離開太陽系，地球的生態系統、大氣層也將不復存在，甚至連磁場也可能消失。地球將被宇宙中的各種高能射線輪番轟擊，還可能被黑洞吞噬（圖5）。

電影雖然有幻想色彩，但是帶來的疑問非?，F實——讓地球去流浪真是一個好的想法嗎？好在“氦閃”之前，人類還有50 多億年的時間來做準備，也有足夠的時間去思考生命的意義究竟是什么，以及面對未來，我們該如何選擇。