新知丨“举球”搬迁，看“硬核”科技背后的科学知识

科幻大片《流浪地球》春节期间刷爆了朋友圈，世界级的科幻想象力让大家惊艳之余，也引发无数人对广袤宇宙的无穷好奇。记者邀请了南京航空航天大学胡亚鹏、李晋斌老师等科技工作者，和我们分享其中几个科学问题的趣味思考。

比邻星是否是人类适合的家园呢？

在电影《流浪地球》中，太阳急速老化，不断膨胀，太阳系已经不适合人类生存，于是人们选择比邻星是作为地球的流浪归属地，那么这颗星球是否是人类理想的新家园呢？

南京航空航天大学理学院教授胡亚鹏介绍说，比邻星是宇宙中离我们太阳最近的一颗恒星，距离太阳4.22光年。尽管比邻星是离地球最近的恒星，但很有可能并不适合人类居住。

比邻星，也称半人马座α星C，是半人马座α星系统（由三颗恒星组成）中的一颗。它与另外两颗很近的恒星（半人马座α星A、B）一起组成三体恒星系统。在天体系统中，三体系统通常是不稳定的。因此，比邻星所处的半人马座α星系统有可能是不稳定的。这也是刘慈欣另一著名科幻小说《三体》中三体人为什么离开自己所住的三体恒星系统来到地球的原因之一。

比邻星还很暗淡，据观测，比邻星的质量是太阳的1/7左右，亮度比太阳低，是一颗红矮星，表面温度为2,500至5,000K。因为质量、亮度比太阳低，导致比邻星的宜居行星带也相应地更加靠近比邻星。比邻星的爆发频率和释放出来的能量要比太阳大得多，因此，比邻星的行星上所接收到的恒星风、紫外线辐射等，会比目前地球上的更频繁、能量高很多，对地球生命无异于灾难。

由于比邻星的宜居行星带靠近比邻星，因此，在宜居行星带的地球很有可能被比邻星潮汐锁定，即地球没有自转，只能有一面始终朝向比邻星，而另一面一直背对，就如月亮被地球潮汐锁定一样。这也会导致地球一面温度很高，而另一面温度很低。这种环境也不适宜人类居住。此外，要是被潮汐锁定后，地球也很有可能失去地磁场，而人类没有地磁场的保护，则很容易受到恒星风、宇宙粒子、射线等的辐射影响。

不过太阳将会变为红巨星，只是《流浪地球》中一个假设。现实中的太阳按照恒星正常的寿命，50亿年之后才会变为红巨星。那时候人类大概已经移民到其他恒星系星球。

引力弹弓场景能实现吗？

如果地球真的搬家，那么搬家步骤也很繁琐。按照刘慈欣《流浪地球》小说描述，地球搬家的步骤很繁琐， 第一步，用地球发动机使地球停止转动，使发动机喷口固定在地球运行的反方向；第二步，全功率开动地球发动机，使地球加速到逃逸速度，飞出太阳系；第三步，在外太空继续加速，飞向比邻星；第四步，在中途使地球重新自转，调转发动机方向，开始减速；第五步，地球泊入比邻星轨道，成为这颗恒星的卫星。

南京航空航天大学理学院李晋斌副教授介绍，《流浪地球》电影的剧情，和小说中的原著不一样，写的是在地球还没有飞出太阳系的时候，地球逐渐接近木星并最后要撞击木星的危险时刻。地球和木星通过气体连在一起的画面非常震撼，那么背后是什么原理呢？

地球这个庞然大物，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太阳引力的最低速度，即16.7公里/秒(复兴号列车速度的200倍)。即便是如此高的速度，相对于星际距离来说还远远不够，比邻星距离地球4.3光年，如果按照逃逸速度航行，需要7.7万年才能抵达，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。

“引力弹弓”是一种飞行器加速常用的方法，我们向地球以外的天体发射飞行器时，常会应用到其他行星或天体做引力弹弓，以此来节省燃料、时间和计划成本。比较经典的可能是美国的“卡西尼”号了，它于1997年从地球发射前往土星，但只带了很少的燃料，后先后在1998年和1999年利用了金星的两次弹射，又于1999年8月利用了地球的弹射，2000年利用了木星的弹射，最终于2004年7月1日抵到达土星。

那什么是“引力弹弓”效应？比如一只乒乓球，当它飞向一面静止的球拍时，反弹速度是相同的（忽略重力、空气阻力、摩擦等因素）。但如果这个球拍向着来球方向移动，那这个球与拍相撞后反弹速度就会变快。

其实“引力弹弓”也是科幻电影经典桥段之一。例如《星际穿越》中，库珀为使“巡逻者”号飞船到达米勒星球，采用的方案是利用一颗中子星进行引力弹弓减速；还有《火星救援》中的NASA黑人小哥就是把“赫尔墨斯”号飞船想象成一个乒乓球，绕太阳公转的地球当成球拍，飞船从地球公转中窃取了少量动能，从而获得了更快的速度。

值得注意的是，有一个观点是，《流浪地球》中的引力弹弓场景很可能实现不了。电影忽视了一个非常重要的一个先决条件，木星和地球的质量比值不够大，大约320(不像乒乓球和球拍质量差那么悬殊)。地球不可能能够利用木星的巨大引力实现引力弹弓的加速效果，地球一旦被木星引力捕获，结果必然是地球和木星相互牵扯，两者相互围绕旋转，旋转半径会越来越小，最后，地球和木星发生猛烈碰撞，形成一个新的星球。

没必要让地球停止自转

胡亚鹏介绍说，正如中国科学院高能物理研究所研究员张双南的观点，电影中利用行星发动机产生反推力使地球停止自转有可能不可行，因为需要的总能量实在是太大。另外，地壳能否承载这么大的反推力及反推力带来的系列影响，还是个疑问。

没有了转动，地球将会有固定的一面朝向太阳，另外一面将一直处于黑夜当中。长期下去会导致地球一面温度很高，而远离太阳的一面，还是会因为长期得不到太阳的照射，从而温度变得很低，不太适合生命的存在。值得指出的是，即使对于赤道附近的唯一大陆，也是充满危险。在转动的时候，因为离心力的作用，地球的赤道地壳会显得更为突出一点，而在没有转动的时候，赤道附近就会缺少离心力，很可能会导致板块坍缩，从而引发一系列的全球地震或者海啸，不仅在地面上修建的那些行星发动机很难存在，居住在地下或许都非常困难。

地球自转停止，地球磁场有可能会突然消失。通常情况下，地球磁场的存在，不仅仅能为我们指明南北方向，更重要是起到了保护作用，能够将来自于太阳的带电粒子屏蔽于地球大气之外，从而太阳粒子很难直接穿过磁场，直接进入低层大气，保护了地球大气层不会丢失。没有了磁场，太阳风能够不受任何阻碍，长驱直入进入地球大气，从而在全球各个地方形成我们所说的极光，不过更为重要的是，地球大气有可能逐渐损失掉。

其实地球自转并不影响那些推动地球的发动机的运行，不让地球停止转动，直接推动地球也是可取的。比如让地球的北极方向指向运动方向，把推进发动机都放到南半球就行了，而且自转的地球在星际旅行的过程中更加稳定、更好控制方向，因为飞行的子弹都是高速旋转的，自转的飞行器姿态更加稳定也更好控制。

无论如何，地球的流浪之路会是非常艰辛。正如中国科学院国家天文台研究员苟利军所表示，尽管从科学的角度来看，在可以预见的时期内，人类的能力无法实现。不过电影作为一门艺术，它不完全是生活或者科学的完全再现，所以尽管这部电影当中包含了许多不科学的想象，但是依旧需要我们为之鼓掌。

交汇点记者 杨频萍

小知识：推进地球的动力：重原子聚变发动机

李晋斌告诉记者，电影中最惹人注目的，就是这些重聚变发动机，高度达11千米，比珠峰朗玛峰还高2.2千米。每台发动机能提供150亿吨的推力，而这样的发动机在欧亚大陆和美洲大陆总共有一万两千台，总共能提供150万亿吨的推力，如此大的动力方可在5年左右将地球推进到逃逸太阳引力的最低速度，即16.7公里/秒。

重聚变，就是由重原子进行的核聚变。我们常听说聚变的是轻核聚变即氢聚变反应变为氦放出巨大能量，这也是太阳产生能量的主要方式。人类能做到的还只是利用氢原子进行的不可控核聚变（氢弹），但氦并不是核聚变的终点，氦可以继续聚变生成碳，碳继续聚变生成硅，即 氦–4 →碳–12 →硅–28。硅当然也不是核聚变的终点，大质量恒星后期的聚变反应就是“重聚变”。从“硅”开始大质量恒星“重聚变”过程是：硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 (铁–56) ，核聚变走到铁这一步，就不再释放能量，而是吸收能量，所以重聚变最后产生的废渣就是铁。“重聚变”释放出的能量，比氢弹爆炸释放的能量大的多的多。当然重聚变需要温度也高得多、压强也要大得多才能实现。

编辑: 张宣