張軍

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，《流浪地球2》就是一個(gè)講人類“帶球跑路”的故事。不過(guò)，對(duì)初中生來(lái)說(shuō)，要真正看懂故事發(fā)生的背景、情節(jié)發(fā)展的脈絡(luò)、呈現(xiàn)的施工或戰(zhàn)斗場(chǎng)景，還是有難度的。今天，我們就對(duì)初中物理課本知識(shí)做個(gè)簡(jiǎn)單拓展，重點(diǎn)談?wù)労司圩?，回答大家的幾個(gè)疑問。

從物理角度看太陽(yáng)

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

我們根據(jù)原子核里的質(zhì)子數(shù)目來(lái)區(qū)分元素種類。具有最簡(jiǎn)單的原子結(jié)構(gòu)的是1 號(hào)元素氫，它有3 種同位素，分別是氕（原子核里只有一個(gè)質(zhì)子，沒有中子）、氘（原子核里有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子）、氚（原子核里有一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)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(gè)氫原子核很難靠近。太陽(yáng)的主要成分是氫，高溫環(huán)境使得氫原子核與周圍的電子分離開來(lái)，形成溫度極高的等離子體。太陽(yáng)核心溫度超過(guò)1 500 萬(wàn)℃，壓強(qiáng)達(dá)到2 650 億個(gè)大氣壓。在這樣的高溫、高壓下，氫原子核就會(huì)“擁抱”到一起——4 個(gè)氫原子核被擠成了2 個(gè)氦原子核，但是質(zhì)量損失了千分之七（圖1，質(zhì)量損失示意圖）。損失的質(zhì)量m 轉(zhuǎn)化為能量E，且E=mc2（愛因斯坦的質(zhì)能方程，c 是光速），這就是核聚變，是太陽(yáng)光和熱的來(lái)源。你可以把太陽(yáng)內(nèi)部看成是一顆一直在爆炸的氫彈，但太陽(yáng)外層達(dá)不到核聚變的高溫、高壓條件，聚變無(wú)法發(fā)生。核反應(yīng)在太陽(yáng)內(nèi)部產(chǎn)生的壓力可以和向內(nèi)的引力相抗衡，保持了太陽(yáng)相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這個(gè)時(shí)候的太陽(yáng)處于青壯年時(shí)期，屬于主序星。

太陽(yáng)表面的光球?qū)訙囟燃s為6 000℃，可見光基本上都是從這里發(fā)出的。光球?qū)油獠堪鼑鴾囟燃s為1 萬(wàn)℃、厚度超過(guò)2 000 千米的色球?qū)樱ㄏ”〉牡入x子體）。色球?qū)又獍鼑s200 萬(wàn)℃的日冕層，這里發(fā)出的主要是X 射線和無(wú)線電波。

色球?qū)幽承┑胤降臏囟葧?huì)突然升高到1 000 萬(wàn)℃左右，爆發(fā)“耀斑”，發(fā)射出強(qiáng)烈的紫外線和X 射線。色球?qū)訃姵龅幕鹧鏁?huì)沖出日冕層，形成高達(dá)數(shù)萬(wàn)千米到數(shù)十萬(wàn)千米的環(huán)狀火焰，這就是“日珥”。

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

太陽(yáng)光球?qū)由蠒?huì)出現(xiàn)“黑子”，這是光球?qū)游镔|(zhì)劇烈運(yùn)動(dòng)形成的強(qiáng)磁區(qū)域，此處溫度比周圍區(qū)域低一兩千攝氏度，相對(duì)來(lái)說(shuō)有些暗，而實(shí)際上它比剛出爐的鋼水還耀眼。

太陽(yáng)活動(dòng)活躍時(shí)，磁場(chǎng)變強(qiáng)，黑子數(shù)目增加，耀斑和日珥增多；太陽(yáng)活動(dòng)減弱時(shí)，磁場(chǎng)變?nèi)?，黑子?shù)目減少，耀斑和日珥也減少。這個(gè)強(qiáng)弱變化的周期大約是11 年，這就是人們常說(shuō)的太陽(yáng)活動(dòng)周期。

太陽(yáng)會(huì)給地球帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)嗎

日冕中的等離子體會(huì)不停地流向宇宙空間，我們形象地稱之為“太陽(yáng)風(fēng)”。耀斑爆發(fā)時(shí)，會(huì)發(fā)射出大量的X 射線、紫外線，同時(shí)將等離子體加速甩向宇宙空間，這被稱為“日冕物質(zhì)拋射”。被甩出的質(zhì)子、電子、α 粒子（氦核），以及發(fā)射的紫外線、X 射線等，我們稱之為“太陽(yáng)宇宙射線”。如果太陽(yáng)出現(xiàn)耀斑的地點(diǎn)正好朝向地球，襲擊地球的太陽(yáng)宇宙射線會(huì)更強(qiáng)勁，“風(fēng)”就變成了“風(fēng)暴”。這是太陽(yáng)帶給我們的最常見的風(fēng)險(xiǎn)。

好在地球有地磁場(chǎng)這個(gè)“防護(hù)罩”，它會(huì)讓太陽(yáng)風(fēng)改變路徑，轉(zhuǎn)彎繞過(guò)地球，到達(dá)地球南北極上空。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)與稀薄大氣中的氧、氮等氣體的原子發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)發(fā)出絢麗的光，這就是極光（圖3）。

如果沒有地磁場(chǎng)的保護(hù)，大氣中的分子和原子就會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)地被太陽(yáng)風(fēng)中的粒子撞飛，地球可能早就沒有大氣層了。

如果耀斑爆發(fā)，太陽(yáng)風(fēng)暴帶著各種電磁波來(lái)襲，地磁場(chǎng)將出現(xiàn)巨大擾動(dòng)。這時(shí)，極光漫天飛舞，衛(wèi)星出現(xiàn)故障，空間站和飛機(jī)內(nèi)部受到的輻射量增加，遠(yuǎn)距離通信被迫中斷，全球衛(wèi)星定位及導(dǎo)航系統(tǒng)失靈……強(qiáng)烈變化的電磁波還可能在各種金屬網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流，讓輸電設(shè)備出現(xiàn)故障，導(dǎo)致停電。于是，所有利用電流工作的設(shè)備全都不能正常工作，銀行歇業(yè)、商超關(guān)門、高鐵停運(yùn)、互聯(lián)網(wǎng)中斷……所以，一個(gè)現(xiàn)代化的城市必須有遭受太陽(yáng)風(fēng)暴襲擊的危機(jī)管理預(yù)案。最近的一次耀斑大爆發(fā)，極有可能出現(xiàn)在2023 年到2025 年之間。目前，我們已經(jīng)有能力對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)的全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，預(yù)警能力正在不斷提升。

另一個(gè)致命的風(fēng)險(xiǎn)，就是影片中提到的所謂“氦閃”。

據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)內(nèi)部的氫可以燒100 億年（目前已經(jīng)燒了46 億年）。當(dāng)核心的氫燒完，全部變成 “氦灰”之后，太陽(yáng)就變成了紅巨星。外圍的氫原子核開始聚變并導(dǎo)致太陽(yáng)膨脹，內(nèi)部的氦原子核難以發(fā)生聚變，在引力作用下繼續(xù)向內(nèi)坍縮，進(jìn)入量子力學(xué)的“簡(jiǎn)并態(tài)”。外圍氫原子核的燃燒讓核心的氦灰不斷累積，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理過(guò)程，氦灰密度不斷增加，溫度不斷升高。當(dāng)溫度升高到1 億℃以上，簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)會(huì)突然失控，發(fā)生爆炸，在幾秒鐘內(nèi)釋放出超高的能量，點(diǎn)燃氦灰，引發(fā)核聚變。這就是“氦閃”——簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)自然引發(fā)的爆炸，起到了“引燃”氦的作用。這種“引燃”會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)時(shí)不時(shí)地“閃”一下，直到核心的簡(jiǎn)并態(tài)消除，開始穩(wěn)定地燃燒剩余的氦。

大家會(huì)從各種信息渠道看到對(duì)太陽(yáng)“氦閃”的各種解釋，主要是因?yàn)槠渲械倪^(guò)程太過(guò)復(fù)雜了，多是理論闡釋，無(wú)法用實(shí)驗(yàn)直接研究。而且“氦閃”的能量大部分被太陽(yáng)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(cè)到過(guò)哪怕是一顆氦閃的恒星。當(dāng)太陽(yáng)核心的氦燒完，主要會(huì)變成碳；太陽(yáng)在引力作用下坍縮，變成高密度的白矮星。

其實(shí)，在氦閃發(fā)生之前，由于太陽(yáng)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(zhì)量若超過(guò)太陽(yáng)的8 倍，就可以將核聚變繼續(xù)推進(jìn)，每次推進(jìn)都會(huì)形成一些更重的元素，讓恒星更膨脹一些，形成類似洋蔥結(jié)構(gòu)的多層核聚變空間。但元素越重，聚變產(chǎn)生的能量就越少，就越難以支撐恒星向內(nèi)的巨大壓力。當(dāng)聚變到鐵元素時(shí)，由于鐵元素的結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定，聚變時(shí)將不產(chǎn)生能量，恒星將發(fā)生爆炸，這就是超新星爆發(fā)。爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的超大能量讓各種核聚變迅速發(fā)生，宇宙中所有的元素都會(huì)被聚變出來(lái)。這就是自然界元素的由來(lái)。

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(jīng)過(guò)恒星的原子“鍋爐”聚變出來(lái)的，其他重元素則是“鍋爐”爆炸的副產(chǎn)品。從這個(gè)角度看，金、銀等確實(shí)都是“貴重”金屬，它們是大恒星爆炸換來(lái)的。

目前，在我們的化學(xué)元素周期表中，除了天然元素，還有不少的人造元素（標(biāo)有 “*” 記號(hào)）。人造元素的途徑通常是用加速器或核反應(yīng)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(zhì)子數(shù)與以往發(fā)現(xiàn)的不同，一個(gè)新元素就誕生了。因此，元素制造的本質(zhì)就是將氫元素在不同條件下以不同數(shù)目聚合。人造元素都是放射性元素，除了不穩(wěn)定性和放射性，它們與相應(yīng)的天然元素具有相同的化學(xué)和物理性質(zhì)。

“燒石頭”提供動(dòng)力靠譜嗎

影片中，行星發(fā)動(dòng)機(jī)是靠燃燒石頭來(lái)提供動(dòng)力的，這靠譜嗎？

這在理論上是可以的，準(zhǔn)確地說(shuō)，“燃燒”的應(yīng)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(dāng)核聚變發(fā)生后，可以直接噴射等離子流來(lái)獲取機(jī)械能，也可以先轉(zhuǎn)化為電能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

全球的科技強(qiáng)國(guó)都在探索建設(shè)可控核聚變反應(yīng)裝置，即“人造太陽(yáng)”項(xiàng)目。目前，100 萬(wàn)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(xù)運(yùn)行時(shí)間，都已在我國(guó)的 “人造太陽(yáng)”EAST（全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置）上分別實(shí)現(xiàn)（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(hào)元素，要想發(fā)生核聚變，需要的條件更加苛刻，進(jìn)行核聚變時(shí)需要投入的能量也更大，產(chǎn)生的能量卻沒多出多少，性價(jià)比還是比較低的。

影片中的“逐月”計(jì)劃同樣寄希望于引發(fā)月核聚變。但是，月表幾千枚核彈爆炸產(chǎn)生的溫度、壓強(qiáng)、沖擊波等，根本引發(fā)不了月核聚變。有人計(jì)算過(guò)，“逐月”計(jì)劃所需的核武器至少是當(dāng)前儲(chǔ)量的10 億倍。

地球能流浪到目的地嗎

難。目前看來(lái)，大概率是到不了。

用行星發(fā)動(dòng)機(jī)讓地球減速、轉(zhuǎn)向、加速推進(jìn)，只是在理論上說(shuō)說(shuō)。能量之間可以轉(zhuǎn)化，力的作用是相互的，力可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)……這都能說(shuō)得通，但是如果真的這么操作了，將引發(fā)很多新的問題。比如，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)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(zhuǎn)停止了，海水由于慣性會(huì)從地表無(wú)情地沖刷而過(guò)，摧枯拉朽。比如，即使地殼停止了轉(zhuǎn)動(dòng)，由于慣性，地幔、地核還會(huì)自轉(zhuǎn)，有可能引起地震頻發(fā)、巖漿涌流、地磁變化……

如果月球發(fā)動(dòng)機(jī)推力不平衡或者失控，很有可能“掉轉(zhuǎn)槍口”，飛向地球。

如果月球被推開，地球的運(yùn)行有可能是平衡的，也有可能是“頭動(dòng)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(huán)？地下環(huán)境的復(fù)雜變化如何掌控？人們?nèi)绾芜m應(yīng)地下環(huán)境？如何防止心理問題？

地球經(jīng)過(guò)其他行星時(shí)，一不小心就會(huì)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(huì)被撕碎或者“被俘”，導(dǎo)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(huì)是一件煩心事。

即使順利離開太陽(yáng)系，地球的生態(tài)系統(tǒng)、大氣層也將不復(fù)存在，甚至連磁場(chǎng)也可能消失。地球?qū)⒈挥钪嬷械母鞣N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(lái)的疑問非?，F(xiàn)實(shí)——讓地球去流浪真是一個(gè)好的想法嗎？好在“氦閃”之前，人類還有50 多億年的時(shí)間來(lái)做準(zhǔn)備，也有足夠的時(shí)間去思考生命的意義究竟是什么，以及面對(duì)未來(lái)，我們?cè)撊绾芜x擇。