根據(jù)著名科幻作家劉慈欣同名小說改編的科幻電影《流浪地球》上線后引發(fā)廣泛關(guān)注。雖然影片并沒有涉及太多AI，但從生命與智能更廣泛的角度說，這個話題也在新智元關(guān)注的范圍之內(nèi)。本文從科學(xué)的角度，選取電影當(dāng)中提及的幾個場景，深入審視看其是否符合科學(xué)原理。

在大家的期盼當(dāng)中，中國第一部科幻電影《流浪地球》終于在大年初一上映了，它在之前的點映當(dāng)中就飽受贊譽(yù)。這部影片是根據(jù)劉慈欣的同名科幻小說《流浪地球》改編而來。講述了太陽即將死亡，即將進(jìn)入紅巨星的膨脹階段，地球即將被膨脹的太陽大氣所淹沒。在人類命運(yùn)即將面臨存亡的關(guān)頭，人類聯(lián)合政府做出了一項決定，將地球作為一個龐大的飛船駛離現(xiàn)有軌道，駛向距離我們最近4.2光年的比鄰星。

從地球原有軌道到遙遠(yuǎn)的比鄰星，按照小說而言，這是一場長達(dá)2500年、需要100代人才能完成的恢弘計劃，它分為了五個階段：

（1）剎車階段：憑借赤道上的“行星發(fā)動機(jī)”的巨大推力，使地球停止自轉(zhuǎn)；（2）逃逸階段：全功率開動行星發(fā)動機(jī)，使地球加速駛出太陽系；

（3）先流浪階段：利用太陽和木星完成最后的加速，駛向人類選定的新家園“半人馬座比鄰星”；

（4）后流浪階段：駛出太陽后，行星發(fā)動機(jī)全功率開啟，利用500年時間將地球加速到光速的千分之五，然后滑行1300年；然后調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)，利用700年進(jìn)行減速；

（5）新太陽時代：地球泊入比鄰星軌道，成為比鄰星的衛(wèi)星。

盡管計劃所需時間極為漫長，然而小說也僅僅橫跨百年，以一個人的一生作為背景，描述了人類在地球離開太陽系過程中的各種境況。作為電影，它更是僅僅展現(xiàn)了一個極短的場景，也就是上面所講的后流浪階段。地球在利用木星實現(xiàn)引力彈弓加速的時候，因為行星發(fā)動機(jī)的失效，地球被木星所吸引，彼此距離不斷減小。

為了避免地球撞毀到木星上，在嘗試了一系列的地面方法失敗之后，地面上的救援隊想出利用行星發(fā)動機(jī)噴出的高能氣體流來點燃木星大紅斑的方法，以期望產(chǎn)生的超強(qiáng)沖擊波將地球推開。不過最終因為行星發(fā)動機(jī)的的動力不足，還是依靠中國宇航員劉培強(qiáng)最后將太空站點燃在離子流上，補(bǔ)足了能量，從而使得大紅斑被成功點燃，釋放出超強(qiáng)的沖擊波，地球被成功挽救，繼續(xù)開啟了駛向比鄰星的流浪旅途。

我有幸之前受邀去導(dǎo)演工作室觀摩，并且在電影上映當(dāng)日在影院觀看。電影院里將影片當(dāng)中的特效展現(xiàn)的淋漓盡致，讓我完全沉浸其中并且為不少場景所感動。電影以非凡和逼真的特技效果，再現(xiàn)了地球在流浪過程當(dāng)中所遭遇的世界末日的恢弘場景。

整部片子從特效上而言，已經(jīng)堪比好萊塢大片，故事情節(jié)也是有松有馳，緊張之中也不乏一些輕松有趣的對話。作為中國科幻第一片，的確大大超出我們的預(yù)期。

此部電影被定義為硬科幻，肯定是包含有不少的科學(xué)成分。比如太陽在燃燒完最中心的氫之后，因為中心氦進(jìn)一步發(fā)生聚核反應(yīng)而產(chǎn)生更多熱量，從而發(fā)生膨脹，這一點就已經(jīng)為很多人所熟知，完全符合我們的科學(xué)認(rèn)識，而流浪地球就是發(fā)生在這樣的背景之下。距離我們最近的就是比鄰星，這也是符合我們的認(rèn)識，而且劉慈欣的小說《三體》也是以比鄰星為背景的，就是因為它是一個三體恒星系統(tǒng)。

整個電影的場景是發(fā)生在地球脫離原有軌道之后。在電影當(dāng)中，因為地球遠(yuǎn)離太陽，接收到的太陽能量減少，所以地球表面溫度急劇下降，所以我們看到的人類都已經(jīng)轉(zhuǎn)入地下生活，而地面上的城市保持完整，不過都已經(jīng)被冰凍起來，成為了一個冰雪世界。

整部電影涉及到非常多的天文知識，今天，讓我們就以科學(xué)的角度，選取電影當(dāng)中提及的幾個場景，深入審視看其是否符合科學(xué)的原理。

人類是否能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動？

在“流浪地球計劃”中的第一步就是首先讓地球停止轉(zhuǎn)動，盡管在電影中沒有直接展現(xiàn)這一場景，但是電影當(dāng)中的旁白中有所提及，讓我們就先來看一下這個停止轉(zhuǎn)動是否可以實現(xiàn)。

在直接回答這個問題之前，我們先了解一下地球的轉(zhuǎn)動能量的多少。關(guān)于能量的多少，我們很容易的從網(wǎng)絡(luò)上搜索到，地球的轉(zhuǎn)動能是2.24E29焦耳，這個能量是非常的巨大。

讓我們做一個簡單的對比，從而可以更加清楚地看到這個能量巨大，一個原子彈釋放出來的能量差不多相當(dāng)于1百萬個TNT當(dāng)量，或者就相當(dāng)于是4.2E15焦耳，而歷史上曾經(jīng)實驗過的釋放能量最強(qiáng)的大伊萬氫彈，釋放的能量差不多是5000萬TNT當(dāng)量，或者就是2.1E17焦耳，然而相比較地球的轉(zhuǎn)動能量，還是小巫見大巫了，大約相當(dāng)于1萬億（1E12）個大伊萬的氫彈同時爆炸。

不過或許在不遠(yuǎn)的未來，人類如果能夠熟練掌握了重核聚變能力的話，產(chǎn)生的能量的能力將極大提高。按照電影所說，每個行星發(fā)動機(jī)通過重核聚變能夠產(chǎn)生150萬億噸的推力（而現(xiàn)在的航天飛機(jī)的推力大約在2000萬牛頓，也就是未來的推力大約是現(xiàn)在推力的100億倍）。

那讓我們來利用這個估算一下應(yīng)用到地球質(zhì)量上，所以很容易地就知道產(chǎn)生的加速度是0.000000025 （或者2.5E-8）米/秒2。在赤道附近的轉(zhuǎn)動速度大約就是每秒460米。對于一個發(fā)動機(jī)而言，如果能夠持續(xù)不斷的產(chǎn)生反推力，那么也需要218569天（大約600年）的時間才能夠讓地球停止。

不過按照電影所言，在這一萬個行星發(fā)動機(jī)當(dāng)中有一部分是位于赤道之上用于減速的，如果數(shù)量可以達(dá)到100左右的話，那么就可以在相對比較短的時間用來停止地球轉(zhuǎn)動。不過必須要求這些發(fā)動機(jī)是持續(xù)不斷并且提供相同的反推力。所以我們看到這個難度可是非常的高，對于地球人類幾乎是不太可能做到的事情。

一旦地球停止轉(zhuǎn)動，地球?qū)l(fā)生什么？

如果地球一旦停止轉(zhuǎn)動，那么地球上將會發(fā)生什么樣的變化呢？或許你會想著，地球不是類似于物理學(xué)當(dāng)中的剛體么，難道沒有了轉(zhuǎn)動，就會發(fā)生很巨大的變化么？

最直接的一個效應(yīng)就是沒有了轉(zhuǎn)動，目前地球上幾乎所有的大陸都會被海洋所淹沒，這一點的確在電影當(dāng)中有所提及，原因很簡單。在地球轉(zhuǎn)動的時候，因為離心力的緣故，作為液態(tài)的海洋會朝向赤道附近聚集，所以一旦地球停止轉(zhuǎn)動，這些水會向兩極流動，從而造成大陸被淹沒。根據(jù)美國ESRI公司的動畫模擬，最終幾乎所有的大陸都會被淹沒，只剩下赤道附近的一圈超級大陸凸顯出來，如果人類要想繼續(xù)在大陸上生存下去的話，這將會是唯一的一個希望，不過在電影當(dāng)中，人類是移居到了地下生活。

值得指出的是，即使對于赤道附近的唯一大陸，也是充滿了很多危險。在轉(zhuǎn)動的時候，同樣是因為離心力的作用，地球的赤道地殼會顯得更為突出一點，然而在沒有轉(zhuǎn)動的時候，那么赤道附近缺少離心力，所以很可能會導(dǎo)致板塊坍縮，從而引發(fā)一系列的全球地震或者海嘯。所以我們將很難看到那些完整保持的城市，不僅在地面上修建的那些行星發(fā)動機(jī)或許就很難存在了，而且居住在地下或許也非常困難的。

因為沒有了轉(zhuǎn)動，所以地球?qū)泄潭ǖ囊幻娉蛱?，另外一面而將一直處于黑夜?dāng)中，就仿佛我們在南極或者北極所經(jīng)歷的極晝或者極夜那樣。盡管有地球大氣的存在，但是遠(yuǎn)離太陽的一面，還是會因為長期得不到太陽的照射，從而溫度變得很低，不太適合生命的存在。

盡管我們對于磁場的產(chǎn)生機(jī)制并不是非常的清楚和確定，一種流行的說法就是因為地球外殼層和內(nèi)核之間的轉(zhuǎn)速不同導(dǎo)致的。如果地球自轉(zhuǎn)停止，而且兩個區(qū)域都停止，那么地球磁場有可能會突然消失。通常情況下，地球磁場的存在，它不僅僅能夠為我們指明南北方向，更重要的是磁場起到了保護(hù)作用，能夠?qū)碜杂谔柕膸щ娏Ｗ悠帘斡诘厍虼髿庵?，從而太陽粒子很難直接穿過磁場，直接進(jìn)入低層大氣，保護(hù)了地球大氣層不會丟失掉。不過這些帶電粒子會沿著磁力線向兩極運(yùn)動，帶電粒子最終與大氣中的粒子相互作用，使得粒子發(fā)生激發(fā)，從而產(chǎn)生我們所看到的極光。而沒有了磁場，太陽風(fēng)能夠不受任何阻礙，長驅(qū)直入進(jìn)入地球大氣，從而在全球各個地方形成我們所說的極光，不過更為重要的是，地球大氣有可能逐漸損失掉。

我們目前已經(jīng)知道，現(xiàn)在的火星大氣目前僅僅是地球大氣質(zhì)量的百分之一，然而在三四十億年之前，火星也像目前的地球一樣，有著海洋，有著濃厚的大氣，非常溫暖，非常適合生命的居住。然而就是因為后來火星整體磁場的消失，在太陽風(fēng)的沖擊之下，火星大氣就逐漸逃逸到了太空當(dāng)中，越來越少。如果地球沒有了磁場，那么我們的地球也將經(jīng)歷這樣的遭遇。目前，正是地球的磁場保護(hù)了我們?nèi)祟悾沟梦覀兠馐芴栵L(fēng)的沖擊。

電影當(dāng)中展現(xiàn)了一個被冰雪封凍但保存完整的世界，所以我們通過上面的分析看到，如果我們能夠讓地球逐漸停止，那么其實在地球逐漸停止的過程當(dāng)中，地球已經(jīng)就發(fā)生了巨大的變化，城市建筑早已經(jīng)在地殼的變化過程當(dāng)中不復(fù)存在了，完全不是電影當(dāng)中所展現(xiàn)的那樣。

脫離木星引力的方法合理嗎？

整部電影所展現(xiàn)的一個主題就是如何擺脫木星的“剛性洛希極限“點。這其實就是“流浪地球計劃”的第三個“先流浪階段“。這里我們需要明白地球駛?cè)肽拘侵車脑?。木星引力是如此之?qiáng)，為何地球不躲著木星行駛？

其實在電影當(dāng)中，聯(lián)合政府本來想通過一種叫做引力彈弓（gravitational slingshot）的效應(yīng)，使用木星對地球進(jìn)行加速，沒想到部分行星發(fā)動機(jī)失效，導(dǎo)致地球被木星吸引而逐漸進(jìn)入木星的剛體洛希極限，出現(xiàn)了電影當(dāng)中所呈現(xiàn)的災(zāi)難。其實引力彈弓效應(yīng)在探測器飛行中被廣泛使用，通常被當(dāng)做一種節(jié)省能源的加速方式，旅行者一號就是利用木星和土星兩次引力加速，才得以逃出太陽系。

這個效應(yīng)的原理其實非常簡單，因為行星本身也在圍繞太陽轉(zhuǎn)動，所以當(dāng)行星吸引探測器或者其它天體的同時，就實際上賦予了探測器或者其它天體一部分速度，當(dāng)探測器或者其它天體逃離出去的時候，就相當(dāng)于被加速了。我們可以舉一個簡單的類似例子來理解。如果我們站在靜止的地面上向運(yùn)動的火車頂上扔一個網(wǎng)球，在網(wǎng)球被彈起來的時候，地面上靜止的人看到網(wǎng)球的速度，其實就是火車速度和網(wǎng)球原來速度的疊加。所以當(dāng)天體從某個行星周圍逃離的時候，其實就是本來的速度和天體速度的疊加。

接下來我們再來簡單解釋一下電影中出現(xiàn)的另外一個燒腦名詞：剛體洛希極限。簡單說來，就是一個類似地球的巖質(zhì)天體被木星的潮汐力撕碎的極限半徑。因為距離木星很近，在靠近木星和遠(yuǎn)離木星的地球表面上會感受到不一樣的木星引力，我們把這種力的差別稱之為潮汐力。我們可以想象一下，距離木星越來越近的情況下，這種潮汐力會變得越大。在靠近木星一定距離時，大到一定程度時，整個地球就會被撕裂，這個特殊的臨界距離被科學(xué)家們稱之為剛體洛希極限。

所以我們可以想象，一旦地球跨過了這個點之后，地球會被粉碎，地球上的人類肯定無一生存，流浪地球的計劃也將隨之破滅。而按照電影當(dāng)中所言，這也是為什么聯(lián)合政府看到地球即將跨過洛希極限點的時候，就已經(jīng)打算放棄地球，而保留了太空站，讓太空站成為人類文明生存的諾亞方舟。

接下來再讓我們看一下電影當(dāng)中讓地球擺脫木星引力的場景：在地球即將進(jìn)入木星的洛希極限點之前，地面上的救援隊試圖用所有行星發(fā)動機(jī)的能量集中到其中一個，然后去噴射點燃木星的大紅斑，不過因為部分發(fā)動機(jī)沒有完全工作，所以總共7萬公里的距離還差5000公里才能得以點燃。在這涉及地球存亡的緊急關(guān)頭，吳京所扮演的宇航員劉培強(qiáng)駕駛著空間站在粒子流當(dāng)中爆炸，空間站攜帶的巨大能源彌補(bǔ)了行星發(fā)動機(jī)的能量不足，最終木星大紅斑被成功點燃，產(chǎn)生劇烈的沖擊波，這股來自于木星的氣體巨浪將地球從木星周圍推走，避免了被木星引力撕碎的危險。

木星大紅斑中的氫可能被點燃嗎？木星的氣體沖擊波真可能將地球推走嗎？簡單的答案就是這兩個情形都不太可能發(fā)生。如果要想讓大紅斑中的氫燃燒，需要地球有充分的氧氣混合。不是被木星吸積的地球大氣中包含有大量氧氣么？但是需要知道，即使包含有氧氣的地球大氣在吸積到木星表面的時候，因為時間很很短，也不會和氫氣均勻混合，所以產(chǎn)生大規(guī)模燃燒的可能性非常小。假若可以燃燒發(fā)生爆炸，產(chǎn)生非常強(qiáng)的沖擊波，也不太可能對地球本身產(chǎn)生極大的影響。

我們首先需要知道這個沖擊波是什么？其實就是高速運(yùn)動的氣體粒子，非常類似于來自于太陽的巨型爆發(fā)產(chǎn)生的太陽風(fēng)。依靠燃燒氫氣釋放能量并不是一個有效的加速氣體的很好方式，最終的速度不一定有太陽風(fēng)的速度快。即使快很多，當(dāng)這些高速運(yùn)動氣體抵達(dá)地球時，地球因為有磁場的保護(hù)，通常這些氣體并不會直接打到地球表面。即使這些粒子能夠穿透磁場，其實更多的作用將會是地球大氣的中的粒子相互作用，產(chǎn)生非常壯觀的極光現(xiàn)象，并不會產(chǎn)生很強(qiáng)的推力。這個沖擊波在一定程度上非常類似我們常說的一句俗語：蚍蜉撼大樹——自不量力。不過，如果所謂的沖擊波很強(qiáng)的話，地球大氣倒是很有可能被沖擊波部分剝離掉的。

當(dāng)然地球在太空流浪的征途之后也并非一番風(fēng)順，逃離木星洛希極限點也僅僅是萬里征途當(dāng)中所碰到的一個小插曲而已，在前往比鄰星的路途當(dāng)中，還有很長的距離等待著地球去走。木星軌道之外，有著包含冥王星的小行星帶，俗稱柯伊伯帶之外，最外層還有一個呈現(xiàn)為球形的奧爾特星云，這些區(qū)域都布滿了大小不一、密密麻麻的小行星，而且這些區(qū)域的尺度非常大，尤其奧爾特星云一直可以延伸到大約比鄰星距離的一半，所以地球在抵達(dá)比鄰星之前，如何安全地經(jīng)過這些小行星帶，如何避免被小行星不斷相撞也是很有挑戰(zhàn)的。

即使人類的技術(shù)能夠順利抵達(dá)比鄰星，根據(jù)科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，比鄰星的周圍并不適合生命的居住。比鄰星的質(zhì)量只有太陽質(zhì)量的七分之一，所以適合生命發(fā)展的宜居區(qū)也是距離中心恒星很近，劇烈的爆發(fā)有可能會將存在的生命殺死。而且在2016年的時候，科學(xué)家們在比鄰星周圍已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個位于宜居區(qū)內(nèi)的行星，所以到時如何讓比地球精確的存在于宜居區(qū)的另外一個軌道上，而不與現(xiàn)有行星相撞，對于地球人類也是極大的挑戰(zhàn)。

無論如何，地球的流浪之路會是非常艱辛。不過我們需要知道，在整個人類面臨危機(jī)的時候，將地球整個當(dāng)做一個飛船移走，是一個非常大膽且富有想象的想法，盡管從科學(xué)的角度來看，在可以預(yù)見的時期內(nèi)，人類的能力無法實現(xiàn)。不過電影作為一門藝術(shù)，它不完全是生活或者科學(xué)的完全再現(xiàn)，所以盡管這部電影當(dāng)中包含了許多不科學(xué)的想象，但是依舊需要我們?yōu)橹恼?。科學(xué)是人類進(jìn)步的動力，而想象則為人類進(jìn)步指明了方向。作為中國第一部科幻大片，讓我們先去享受《流浪地球》電影帶給我們的欣喜。

中國的科幻電影之路，也如中國的科學(xué)發(fā)展之路，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，還需大家共同努力。