流浪地球，有更好的方式(上)

2019年的这个春节和情人节，中国人能想到的最浪漫的事，就是带上地球去流浪。一部名为《流浪地球》的电影，引燃了中国人久违的科幻热情，人们纷纷涌向电影院，观看这部中国人自己拍摄的科幻大片。

《流浪地球》的故事梗概是：不久的将来，科学家们发现太阳急速衰老膨胀，演化成为红巨星，并将导致地球毁灭。为了自救，人类启动一个名为“流浪地球”的大胆计划，即倾全球之力在地球一侧建造上万座发动机和转向发动机，将地球变成一个巨大的宇宙飞船，载著人类文明开始一个长达2500年的太空流浪之旅，奔往离太阳系最近的另一颗恒星——半人马座的比邻星。

按照计划，人类试图利用木星实现“引力弹弓”加速，却因木星的潮汐力突增，导致地球面临坠入木星的风险。在生死存亡的时刻，位于地球和空间站上的人类联手展开自救，并成功引燃木星大红斑中的氢，将地球推离木星，成功脱离险境。

影片中，太阳的衰老和膨胀、万座高耸入云的发动机、点燃木星等等科幻设定，真正让人感到荡气回肠、回味无穷。特别是在地球危难之际，是我们中国人挺身而出，克服种种艰难险阻拯救地球的壮举，更是让我们产生一种勇于担当的民族自豪感。

然而遗憾的是，那些重要的科幻设定却没什么科学合理性，如果有一天我们真的要带上地球去流浪，我们还是要利用真正的科学，而不是仅止于浪漫而不切实际的幻想。

烧石头不行，烧水试试 

影片中，为了应对这次巨大的太阳系灾难，人类在地球的北半球建造了一万座重核聚变发动机和转向发动机，准备将地球推离自己的轨道。电影中最惹人注目的，就是这些重核聚变发动机：它们高达11千米，比珠峰朗玛峰还高2.2千米。每座发动机能提供150亿吨的推力，全球一万座发动机能提供150万亿吨的推力。

重核聚变发动机是什么？它们产生的动能能将地球推离自己的轨道吗？

这种威力巨大的发动机，就是利用岩石中的硅元素进行核聚变反应，获得高能高压的等离子流。说白了，发动机的燃料就是石头。理论上来说，石头确实可以当燃料，石头的主要成分是硅，在非常苛刻的条件下可以发生核聚变。

但越重的原子核，进行聚变所需要的能量越大，聚变所产生的能量越小，例如，氢聚变所产生的能量是同样质量硅聚变所产生能量的30倍。而且重于碳的核聚变已经非常困难，只有大质量恒星演化晚期才能发生，而硅虽然理论上可以产生聚变，但所需要的温度是30亿度！地球无法产生那样高的温度，况且其性价比太低，恐怕把地壳的硅全都用完了，也未必能到达目的地。所以电影中的“重核聚变发动机”除了听起来很高大上、很吓人外，在科学上并没有什么合理性。

其实，烧石头不行，烧水可以。海水中富含氘与氚，这才是核聚变的最佳燃料。它们都是氢原子核的重同位素。氘在海水中储量巨大，据计算，海水中氘的总储量竟达几百亿吨，数量之大，可为人类提供上亿年的能源消费。而且，氘的提取方法简便，成本也较低，核聚变堆的运行也十分安全。有如此优质高效的核聚变材料，我们何必舍易取难，要开发得不偿失的以硅为原料的重核聚变呢？

当然，无论烧石头还是烧水，都不可能在短时间内将地球推开。根据计算，电影中1万座发动机要持续不断地工作1500多年，才能将地球加速到逃离太阳轨道的速度，这把原计划的一大半时间用掉了，那时候地球早就被太阳给毁灭了。

需另辟蹊径 

那么，究竟还有没有办法推动地球变轨，带上地球去流浪呢？其实，还有比核聚变更先进的方式：反物质发动机。

反粒子跟通常所说的电子、质子相比较，电量相等但电性相反;反物质是由反粒子构成的，如同普通物质是由普通粒子所构成的。例如一颗反质子和一颗反电子（正电子）能形成一个反氢原子，如同电子和质子形成一般物质的氢原子。

当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，两个粒子的质量几乎完全转化成能量，效率大大高于核裂变和核聚变。就所有物理反应而言，这是效率最高的燃料。我们可以比较一下每千克发动机燃料的效果，很理想的化学反应可以产生1×107焦耳的能量，核裂变产生8×1013焦耳的能量，核聚变产生3×1014焦耳的能量，而反物质的湮灭能产生9×1016焦耳的能量，是氢氧化学反应的90亿倍、氢核聚变反应的300倍。一片阿司匹林那么大的反物質同物质湮灭产生的能量足以让一艘飞船巡弋数百光年，而航天飞机那么巨大的燃料箱和推进器中的燃料完全可以用100毫克的反物质代替。而且“湮灭”效应是自然发生的，并不需要像核聚变那样用难以想像的高温高压来“点火”。

在著名的《星际迷航》系列电影中，“企业”号宇宙飞船可实现曲速飞行、超光速抵达宇宙中任何一个地方，都仰仗于它的反物质动力系统。

利用反物质发动机启动地球更具科学合理性。迄今为止，多国物理学家已在实验室中制造出了正电子、反质子和反中子，乃至反氢原子。但反物质现在只能在实验室中制造，且所需能量更多，因此只能在太空中寻找。2006年发射升空的“反物质-物质与轻核天体物理学探测器”，在地球上空的在范艾伦辐射带（这是地球上空的一条高能辐射带，分内外两层，以美国物理学家詹姆斯·范艾伦命名）中发现了一个反质子带。2009年科学家又发现了一个惊人的现象：宇宙射线中反物质粒子数量过剩，这说明我们宇宙中存在着反物质。可以想象，随着人类科技的发展，利用宇宙中的反物质来制造反物质发动机并不是什么难事。

水下城比地下城更具可行性 

在地球转向并远离太阳的过程中，地表温度急剧降低，冰封千里。人类为了避难，在地表5000米以下处建立了上万个地下城市，在此后到达新恒星的2500年间，人类就一直要在地下城生存、繁衍、延续希望了。那么，这么一座深达5000米的地下城市能够保障人类2500年的生存繁衍吗？

资源循环也是大问题。没有人能预测人类需要在地下生活多久，因此地下城市必须是一个可持续的栖息地。这意味着，每个地下城市都需要成为一个独立的生态系统，资源到底如何重复循环利用是个问题。除此之外，地下环境怎么去适应，怎么解决空气流通，怎么防止出现心理疾病，等等，都具有很大的挑战性，需要人类群策群力去解决。

而且，在5000米那么深的地底下，高温高压问题也是难以解决的。地下5000米处温度高达150℃以上，不过，根据计算，当地球表面降到-80℃的寒冷时，地底温度也会随之降低，如果再与地面的寒冷空气产生一些对流，地下城保持适宜的温度还是有可能做到的;但高压问题却无解，5000米深处的压强相当于1000个标准大气压，在这么深的地底，如何进行大规模的施工就是一个问题，更不要说几乎没有材料能顶得住这样巨大的压强而支撑起一个巨大的地下城。

其实，海洋底下的水下城市比5000米深的地下城市更具可行性。在两个月内，海洋表面会冻结，但我们的海域需要再过1000年才能冻结。所以，住在水下更好，水的比热容很大，吸热或散热能力都很强，能保持温度的平衡。当然，1000年之后，人类如何防止海洋完全冻结，或者如何建造新的生活居住区，那又要考研人类智慧了。

而且，建造一个水下城市也比建造一个地下城市容易很多，海洋有很丰富的资源供我们就地取用，比如最重要的水资源（那时海水淡化技术早已不在话下）、核能资源（海水中的氘是最佳的核聚变燃料之一）等等。事实上，水下城市已经不仅仅是我们天马行空的想法，随着3D打印技术、碳纳米管和纳米金刚石技术的不断发展和应用，一些科学家已经开始认真考虑这种可能性。 （未完待续）