停止自转的地球真能去流浪吗?

苟利军

在大家的期盼中，中国第一部真正意义上的硬核科幻电影《流浪地球》终于在春节期间上映了。这部影片是根据刘慈欣的同名科幻小说《流浪地球》改编而来，讲述了太阳即将死亡、即将进入红巨星的膨胀阶段，地球即将被膨胀的太阳大气所淹没，在人类面临生死存亡的关头，人类联合政府做出了一项决定，将地球作为一艘庞大的飞船驶离现有轨道，驶向距离我们最近、4.2光年的半人马座比邻星。

从地球原有轨道到遥远的比邻星，按照小说而言，这是一场长达2500年、需要100代人才能完成的恢弘计划，它分为了5个阶段——刹车阶段：凭借赤道上的行星发动机的巨大推力，使地球停止自转;逃逸阶段：全功率开动行星发动机，使地球加速驶出太阳系;先流浪阶段：利用太阳和木星完成最后的加速，驶向人类选定的新家园;后流浪阶段：驶出太阳系后，行星发动机全功率开启，利用500年的时间将地球加速到光速的5%0，然后滑行1300年，再调转发动机，利用700年时间进行减速;新太阳时代：地球泊入比邻星轨道，成为比邻星的卫星。

这部电影被定义为硬科幻，其中包含有不少的科学成分。比如太阳在燃烧完最中心的氢之后，因为周围的氢元素进一步发生聚核反应而产生热量，从而使太阳发生膨胀，这一点已经为很多人所熟知，完全符合我们的科学认识，而流浪地球就是发生在这样的背景之下。距离太阳系最近的恒星就是比邻星，这也符合我们的认识，而且刘慈欣的小说《三体》也是以比邻星为背景的。

整部电影涉及到非常多的天文知识，今天，就让我们从科学的角度，选取电影当中提及的几个场景，深入审视看其是否符合科学的原理。

问题1：

人类是否能让地球停止转动？

“流浪地球”计划中的第一步就是让地球停止转动，尽管在电影中没有直接展现这一场景，但是电影的旁白中有所提及，我们就先来看看这是否可以实现。

在直接回答这个问题之前，我们先了解一下地球的转动能量有多少。关于这个数值，我们可以从网络上搜索到，地球的转动能是2.24×10²⁹焦耳，这个能量是非常巨大的。让我们做一个简单的对比，可以有更加直观的了解。一颗原子弹释放出来的能量差不多是100万吨TNT当量，或者相当于4.2×10¹⁵焦耳，而历史上曾经实验过的释放能量最强的大伊万氢弹，释放的能量差不多是5000万吨TNT当量，相当于2.1×10¹⁷焦耳，然而相比较地球的转动能量，还是小巫见大巫了，后者大约相当于1万亿颗大伊万氢弹同时爆炸。

不过或许在不远的未来，如果人类熟练掌握了重核聚变能力的话，产生能量的能力将极大提高。按照电影所说，每台行星发动机通过重核聚变能够产生150万亿吨的推力，那让我们结合地球质量来进行一下估算，可以知道产生的加速度大约是0.00000025米/秒2，在赤道附近的转动速度大约就是460米/秒。对于一台行星发动机而言，即使能够持续不断地产生反推力，那么也需要21857天（大约60年）的时间才能够让地球停止转动。不过按照电影所言，在这1万台行星发动机当中，有一部分是位于赤道之上用于减速的，如果数量可以达到100台左右的话，那么就可以在相对比较短的时间内让地球停止转动。不过前提条件是，这些发动机必须持续不断工作并且提供相同的反推力。所以这个难度可是非常的高，对于人类而言，几乎是不太可能做到的事情。其实这里面还有一个很大的问题，如果行星发动机真能够产生这么大的推力的话，地壳本身也承受不了如此大的推力，会被撕裂。问题2：

如果地球真不转了，将会发生什么？

如果地球真的停止转动，那么地球上将会发生什么样的变化呢？

最直接的一个后果，就是目前地球上几乎所有的大陆都会被海洋所淹没。这一点的确在电影当中有所提及，原因很简单，在地球转动的时候，因为离心力的缘故，作為液态的海洋会朝向赤道附近聚集，所以一旦地球停止转动，这些水会向两极流动，从而造成大陆被淹没。根据美国ESRI公司的动画模拟，最终几乎所有的大陆都会被淹没，只剩下赤道附近的一圈超级大陆凸显出来，如果人类想要继续在大陆上生存下去的话，这将会是唯一的希望，不过在电影当中，人类是移居到了地下生活。

需要指出的是，即使对于赤道附近的唯一大陆，也是充满了很多危险。在转动的时候，同样是因为离心力的作用，地球的赤道地壳会显得更为突出一点，然而在没有转动的时候，因为赤道附近缺少离心力，所以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。这样一来，不仅修建在地面上的那些行星发动机将很难存在，而且人们想居住在地下也是非常困难的。

因为没有了转动，地球一天的时间将会变得极为漫长，将会等同于地球围绕太阳转动一年的时间，一年看到一次日出和日落，几乎有一半的时间一直处于白天，而另外一半时间一直处于黑夜当中，就仿佛我们在南极或者北极所经历的极昼或者极夜那样。尽管有地球大气的存在，但是远离太阳的一面，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。

尽管我们对于磁场的产生机制并不是非常清楚和确定，一种流行的说法就是因为地球外壳层和内核之间的转速不同导致的。如果地球自转停止，而且两个区域都停止，那么地球磁场有可能会突然消失。通常情况下，地球磁场不仅能够为我们指明南北方向，更重要的是磁场起到了对地球的保护作用，能够将来自于太阳的带电粒子屏蔽于地球大气之外，让太阳粒子很难直接穿过磁场进入低层大气，也就保护了地球大气层不会丢失掉。不过这些带电粒子会沿着磁力线向两极运动，最终与大气中的粒子相互作用，使得粒子发生激发，从而产生我们所看到的极光。我们已经知道，现在的火星大气仅仅是地球大气质量的1%，而在三四十亿年前，火星也像目前的地球一样，有着海洋，有着浓厚的大气，非常温暖，非常适合生命居住。然而就是因为后来火星磁场的整体消失，在太阳风的冲击之下，火星大气逐渐逃逸到了太空当中，火星才变成了如今的模样。如果地球没有了磁场，那么我们的地球也将经历这样的遭遇。

在电影中，观众看到了一个被冰雪封冻但保存完整的世界，但是我们通过上面的分析可以得知，如果我们真的能够让地球逐渐停止转动，那么在这一过程中，地球其实已经发生了巨大的变化，城市建筑早已经在地壳的变化过程中不复存在了，完全不是电影当中所展现的那样。

问题3：

脱离木星引力的方法合理吗？

整部电影所展现的一个主题，就是如何摆脱木星的刚体洛希极限点。

在这里，我们需要先明白地球驶入木星周围的原因。木星引力是如此之强，为何地球不躲着木星行驶？其实在电影当中，联合政府本来想通过一种叫做引力弹弓的效应，利用木星对地球进行加速，没想到部分行星发动机失效，导致地球被木星吸引而逐渐进入木星的刚体洛希极限，从而出现了电影中的灾难。

引力弹弓效应在探测器飞行中被广泛使用，通常被当成一种节省能源的加速方式，美国发射的“旅行者一号”就是利用木星和土星两次引力加速，才得以逃出太阳系。这个效应的原理其实非常简单，因为行星本身也在围绕太阳转动，所以在行星吸引探测器或者其他天体的同时，实际上就赋予了探测器或者其他天体一部分速度，当探测器或者其他天体逃离出去的时候，就相当于被加速了。我们可以举一个简单的类似例子来理解。如果我们站在静止的地面上向运动的火车顶上扔一个网球，在网球被弹起来的时候，地面上静止的人看到的网球的速度，其实就是火车速度和网球原来速度的叠加。所以当天体从某个行星周围逃离的时候，其实就是两种速度的叠加。

接下来，我们再来解释一下电影中出现的烧脑名词：刚体洛希极限。简单说来，这就是一个类似地球的岩质天体被木星的潮汐力撕碎的极限半径。因为距离木星很近，在靠近木星和远离木星的地球表面上会感受到不一样的木星引力，我们把这种力的差别称为潮汐力。距离木星越近，这种潮汐力就会变得越大，当潮汐力大到一定程度时，整个地球就会被撕裂，这个特殊的临界距离就被科学家们称为刚体洛希极限。所以我们可以想象一下，一旦地球跨过了这个点，地球会被粉碎，地球上的人类肯定无一生存，“流浪地球”计划也将随之破灭。而按照电影当中所言，这也是为什么联合政府看到地球即将跨过洛希极限点的时候，就已经打算放弃地球而保留太空站，让太空站成为人类文明延续的诺亚方舟。

不过，我们计算过木星一地球的刚体洛希极限点，结果发现这个半径要比木星的半径还要小，所以预期中的地球撕裂现象并不会发生，最主要的原因是因为木星没有地球那么致密。

再让我们回顾一下电影当中地球摆脱木星引力的场景：在地球即将进入木星的刚体洛希极限点之前，地面上的救援队试图将所有行星发动机的能量集中到其中一个，然后去喷射点燃木星的大红斑，但是因为部分发动机没有完全工作，所以没能成功。在这紧急关头，吴京扮演的宇航员刘培强驾驶着空间站在粒子流当中爆炸，空间站携带的巨大能源弥补了行星发动机的能量不足，最终木星大红斑被成功点燃，产生剧烈的冲击波，这股来自于木星的气体巨浪将地球从木星周围推走，避免了被木星引力撕碎的危险。

木星大红斑中的氢可以被点燃吗？木星的气体冲击波真的能将地球推走吗？简单的答案就是这两个情形都不太可能发生。如果要想让大红斑中的氢燃烧，需要有充分的氧气混合，即使包含大量氧气的地球大气被吸积到木星表面，但因为时间很短，也不会和氢气均匀混合，所以产生大规模燃烧的可能性非常小。而且，就算可以燃烧发生爆炸，能產生非常强的冲击波，也不太可能对地球本身产生极大的影响。因为冲击波其实就是高速运动的气体粒子，非常类似于来自太阳巨型爆发产生的太阳风，即使这些气体粒子直接作用于地球表面，也并不会产生很强的推力，在一定程度上非常类似我们常说的一句俗语：蚍蜉撼大树—一自不量力。

当然，在此之后，地球在太空流浪的征途也并非一帆风顺，逃离木星的刚体洛希极限点也仅仅是万里征途中碰到的一个小插曲。木星轨道之外，有着包含冥王星的小行星带，最外层还有一个呈现为球形的奥尔特星云，这些区域布满了大小不一、密密麻麻的小行星，而且这些区域的尺度非常大，尤其是奥尔特星云，一直可以延伸到大约比邻星距离的一半。所以在抵达比邻星之前，地球如何安全地经过这些小行星带，如何避免被小行星不断撞击，也是很有挑战的。

即使人类的技术能够顺利抵达比邻星，根据科学家的研究发现，比邻星的周围并不适合生命居住。比邻星的质量只有太阳质量的1/7，所以适合生命发展的宜居区也就距离中心恒星很近，中心恒星剧烈的爆发有可能会将存在的生命杀死。而且在2016年的时候，科学家在比邻星周围已经发现了一个位于宜居区内的行星，所以到时如何让地球精确地存在于宜居区的另外一个轨道上，而不与现有行星相撞，那也是一个极大的挑战。

无论如何，地球的流浪之路会是非常艰辛。不过我们需要知道，在所有人类面临危机的时候，将地球整个儿当成一艘飞船移走，是一个非常大胆且富有想象力的想法，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，它不是生活或者科学的完全再现，所以尽管这部电影中包含了许多不科学的想象，但是我们依旧要为之鼓掌。科学是人类进步的动力，而想象则为人类进步指明了方向，让我们先去享受电影《流浪地球》带给我们的欣喜吧。

（责任编辑：白玉磊 责任校对：司明婧）