科技2：《流浪地球》电影科学原理/280年后的人类世界

一、《流浪地球》电影科学原理

2019-20-11  欧中头条

近日，春节档电影《流浪地球》大热，电影中，人类想到借助木星的“引力弹弓”，令地球零消耗改变方向、提升速度到达比邻星，电影中还有比珠穆朗玛峰还高2.2千米的“重聚变发动机”。不少观众看完电影后依然摸不着头脑，到底什么是“引力弹弓”?“重聚变”又是啥?

太阳的变化

在电影《流浪地球》中，太阳亮度的增加是地球不得不背井离乡，远遁太空的原因，但现实世界中的太阳，真的会发生这样的变化吗？

大多数人可能从未想过有一天太阳会改变。在过去46亿年里，太阳一直持续稳定为地球提供能量。能量来自于太阳核心氢元素聚变反应——每4个氢原子核通过一系列中间反应形成1个氦原子核。而1个氦原子质量略小于4个氢原子之和，中间质量差别按照爱因斯坦的质能方程E=mc2， 转化成了太阳能量。能量绝大部分以光形式发出，剩下由中微子携带。每一秒钟太阳将六亿吨氢原子转化为氦原子，产生能量中有极微小部分被地球接收到，供给地球上生命所需。

图注：太阳上的核聚变为地球提供能量

太阳自身有非常稳定的调节机制，保证光热的稳定输出：如果太阳内部的热核聚变反应因为某种原因略微加速，就会引起内部温度升高。这种升温会使得太阳整体微微地膨胀，从而使得核心温度和压力回复正常。对于太阳来说，这种调节在很短的时间里就可以完成。太阳自身发光的不稳定程度只有大约千分之一，造成的影响远远小于不同季节带来的差别。宇宙中相当多的恒星做不到像太阳这样稳定的调节，例如，我们熟知的猎户座第二亮星——参宿四就会因为不断地进行膨胀收缩，而在数百天时间里亮度变化超过2倍。

在过去的40亿年里，太阳的整体亮度上升了大约20%。这种变化对于地球的生命演化产生了重要的影响，但是，在一个单一物种存续的时间（百万年到千万年）里，太阳的变化不会产生显著效应。如果太阳按照物理规律演化，那么在未来的10亿年里，太阳的能量输出将上升10%，这可能会引发地球上失控的温室效应。但这是非常长的时间尺度，在这之前人类自己引发的全球变暖就会造成严重的影响。

图注：太阳自身有稳定温度调节机制，在单一物种存续时间里，整体亮度不会产生显著变化

在《流浪地球》的原著中，科学家观察到太阳核心的演化加速了，并在地球逃离到木星附近时就已转变成为了一颗红巨星，完全吞噬了金星水星。从天文学角度看，太阳确实会在未来开始向红巨星转化。是因为太阳核心的氢元素聚变后转化为暂无法聚变的氦元素，沉积在太阳中心，形成一个致密的核。当致密的核变大，在太阳核心发生的氢核聚变燃烧，就转变为在致密的氦核之外发生。这种转变会使太阳失去稳定性调节机制，能量产出不断增加，体积开始膨胀，变得更红。天文学上称这个阶段的恒星为“红巨星”。在这种演化末期，红巨星中心积累了足够高的温度，最终会使氦构成的核心开始聚变，失控的氦核心燃烧会在数秒内释放出巨大的能量，这被称作“氦闪”。

氦闪

图注：太阳从诞生到膨胀为红巨星的过程。

氦闪过程：氢燃烧变成的氦物质堆积在太阳核心，核心物质越来越多，发生收缩温度升高，但核心物质处于简并态，温度升高并不能使其停止收缩，温度会越来越高，当跨过1亿度门槛时，就发生了猛烈的爆炸式氦燃烧，数分钟内就把能燃烧的氦变成了碳。但氦闪释放的能量都被太阳本身吸收，表面居然看不出内部发生了什么。地球之所以迫切需要逃离是因为要躲避“氦闪“。

推进地球的动力：重聚变发动机

图注：电影海报中的重聚变发动机喷射出蓝色的离子流

氢弹是一种剧烈的核聚变爆炸现象，人类无法直接利用这种能量。人类需要的是可控核聚变，就是能够平稳输出能量的核聚变装置，到目前还处于实验阶段。小说和电影中均未交待所谓“重聚变发动机”准确定义，不过在原文中倒是有句简单解释：“利用岩石中的氧、硅元素核聚变反应，获得高能高压等离子流。”可将这种发动机理解为一套巨型核聚变离子脉冲推进系统。但主要是氧、硅等这些原子序数较大的元素，这些元素能聚变吗？实际上，难度恐怕是高级外星人也做不到。

图注：《流浪地球》的量来源也许是地球上氧和硅核聚变产生，可能会永久改变地球面貌

为什么要靠近木星

地球为了逃离太阳系，设定了一个飞往木星的冒险轨道，差点毁掉地球。这种冒险的原因是为了利用木星给地球加速。这种加速的方式俗称引力弹弓（gravitational slingshot）或者叫引力助推（gravity assist）。

图注：木星开始吸附地球大气（来源：《流浪地球》电影）

引力弹弓一般发生在一对重量相差悬殊的天体之间。这里我们用木星（红色球）和地球（蓝色球）举个例子，如图a和图b所示。地球以速度V靠近木星，而木星在轨道上以速度U运行

图 注：引力弹弓的示意图

足够靠近后，地球被木星引力抓住，牵引，优雅地转体半周，然后像掷铁饼那样甩出去↓↓↓

图 注： 引力弹弓的示意图

感谢木星甘当人梯的奉献精神，地球获得了木星的轨道速度U，叠加上原有的速度V，速度增加到了U+V。地球的速度和能量都增加了，却没有消耗任何燃料，就奔着新家园去了。当地球靠近木星时，人类突然遭遇了巨大危机：数千台行星发动机故障熄火了，全球地震，火山爆发，岩浆吞没了地下城……这一切灾难的根源是“洛希极限”。

“洛希极限”

如果地球越过木星的洛希极限距离时，木星的潮汐力就会把地球撕碎！在千钧一发时刻，人类靠点燃木星和地球氧气混合气体的方法，成功把地球推离危险轨道。

图注：地球的部分大气层已被木星的引力吸走。

在天体力学中，洛希极限又称洛希半径，最早由法国天文学家洛希提出，因此称洛希极限。拿地球接近木星作为特例说一下：地球物质结合在一起的主要作用力是自身重力，当地球靠近木星时，木星会对地球产生强烈潮汐撕扯作用，当潮汐力超过地球自重力结合作用时，地球就会被撕裂。地球刚开始被撕裂时，离木星距离就是洛希极限。

土星壮观的光环位于土星的洛希极限内，光环中物质无法靠自身的引力聚合成较大的天体。实际上土星环可能是由土星一颗卫星越过洛希极限撕裂形成的。也可能是土星形成时剩余的物质。

流浪地球的目的地——比邻星

有天文常识的人知道，距离太阳系最近的恒星是“比邻星”，4.2光年，4.2光年对我们来说也是巨大的空间了，要知道1光年约等于9.5万亿公里。

图注：该图描绘了比邻星恒星系统中三颗恒星关系，及在比邻星周围发现的一颗行星。

在太阳临近5秒差距（约16光年）内有52颗恒星，这些恒星都可作为流浪地球最终的备选地。例如，距离太阳12光年Tau Ceti也许是一个不错选择，其亮度大概是太阳一半，看起来非常稳定。这颗恒星已经被发现拥有5颗行星，其中一颗可能有适宜的温度，可支持液态水存在。

比邻星是一个理想的新家园。最大的问题：比邻星过于暗淡，只有太阳质量十分之一，勉强达到核心核聚变标准。这样的恒星会展现很大的不稳定，表现在高频率恒星耀斑爆发。耀斑强烈时，地球上无线电通讯会受到其干扰，不会对人类生活造成太大影响。但在比邻星，这种耀斑爆发可能造成灾难性后果。因为比邻星太过暗淡，地球如要充分接收比邻星能量，让冰冻的海洋融化，需要靠近比邻星，其轨道距离只有日地距离的1/20。一旦耀斑爆发，地球因距离更近，将受到更大的影响。2018年，科学家观察到比邻星一次超级耀斑爆发，爆发时亮度比平时增加68倍。地球如泊入这样的恒星轨道，耀斑爆发时地球生态圈受到毁灭打击。

二、280年后的人类世界

2019-2-11 文章来源：前瞻赢天下

10年以后，三维全息虚拟技术将进入生活，人们可以面对面交流。

15年以后，世界首架“空气动力”无翼电磁空中飞行器将在美国问世，能盘旋垂直起飞(其实是第1代飞碟)。在普通玻璃窗上加一层涂层，就能采集太阳能的“太阳能玻璃”进入千家。

20年以后，量子效应集成电路制造术的突破将使量子计算机进入实用阶段，计算机使用越来越简单。计算机存储器和处理器集中在一个芯片，信息的采集、传输、存储、处理功能集成一起。量子计算机以无型性存在于各种机器中。个人量子计算机主要采用人体生物电为能量供给，随身携带更便捷。眼罩式显示器成为个人计算机配置主流。

25年以后，氢燃料电池技术给交通运输领域带来革命，氢燃料电池汽车开始中批量生产。

30年以后，人类首次登陆火星。量子发电机应运而生。超越“量子效应障碍”技术达到实用水平，采用纳米技术生产芯片，纳米计算机投入批量生产，科学家们将研制出能制造动力源与程序自律化的元件装置。在白令海峡建成海底隧道，连接世界五大洲100多个国家的环球高速公路将建成。

50年以后，人类厌倦了每天生活，上百万人用冷冻法让自己“移民”到未来（法律将开始解禁活人人体冷冻）。将存在器官损伤的人用上自身体内克隆的器官，不会有排斥反应。

60年以后，科学家在月球天然巨型火山洞内造直径500米的液态光学望远镜。实验性正电子反应堆诞生，标志着人类进入反物质能时代。

70年以后，真空管道磁悬浮列车在全球商业运行，北京和纽约纳入1小时交通圈，时速达18000公里。

75年以后，开发出预防恶性肿瘤技术——对人体细胞DNA复制人工程序控制：检测与修复，人类攻克癌症。成千上万纳米机器人成为人体内第四种血细胞，负责清除血液中油脂，清除血栓、疏通血管。

90年以后，对神经病学的研究能理解各种感官并会直接运用，做出一种能模拟人类所有感观信息的“大脑帽”。任何人戴上帽子都能进入虚拟现实空间，体验虚拟世界。将导致影视游戏娱乐业发生根本性革命。医生们戴上帽子可体验病人症状。游戏者可组建虚拟世界。（网络小说中的头盔式游戏）

120年以后，世界第一艘天空母舰建成，外形雪茄状，长2公里。小型飞行器从“雪茄”一端口飞进从另一端口飞出，战争格局完全改观。世界第一个太空城市开始建造，陆续有移民迁入。人与机器的交流更便捷，机器可读懂或理解人的思想；人类也可把脑电波转为电波信号，用意志操控电脑或任何机器。【人机结合第二步】

140年以后，人造智能将达到人脑水平，人机智能对话成为可能，图灵测试将在某些特定领域变为现实。人工智能开始代替人类大部分智力劳动，更多更优良的人工智能制造出来，实现机器设计与制造全自动化。人工智能将具备模糊思维、柔性思维能力，地球上将有两种聪明物种存在。智能机器人开始大规模地代替产业工人，机器人将进入千家万户包揽烦琐家务，舒适生活将使人们过上富有的、游手好闲的日子。

160年以后，人类史上高度超过6000米摩天巨塔竣工，200万人生活学习工作在其内。在大楼顶层氧气浓度将与地面一样。地球将进入超巨型建筑时代。

165年以后，大规模开发月球，在月球上深达40公里巨型火山洞中建筑新城市，用水将取自于贮存于月球两极的冰。火山洞内与外界全封闭，内部充满与地球上一样的大气，人类在洞内不穿太空服自由活动。用月球上储量丰富的氦-3进行核聚变发电，通过巨型红外线发射器大量供应地球。

180年以后，技术上解决了辐射反馈等艰巨困难后，首个“虫洞”型时间机器诞生，短期时间旅行试验成功。人类进入“大时空航行时代”。遨游于地球上各个不同历史时空，整个地球史将成为整体。让众多已绝种的物种再生，真正意义上的“史前公园”出现。普通餐馆里有恐龙蛋供品尝。

200年以后，人类造出“真体性爱机器人”，满足人类的性需求。除大脑是生化机器外，其他部位均由真正人体组成。还发明“高仿真性爱机器人”，“皮肤”与“软组织”在视觉触觉的仿真度达到真人99%。不仅制造出大量的独身者，甚至造成一夫一妻制瓦解。

220年以后，对于人类大脑生理学的研究突破临界，创造出可让人类无需睡眠的机器，促使人类整个生命历程极大改观。

250年以后，记忆将能够移植——充分理解细胞语言，制造出支持大脑记忆库芯片，教育制度将发生本质转变，学位颁授制度废除，所有学校消失。

280年以后，没有通过人工基因改造的人越来越少，地球上形成后人类为主的社会。后人类个个形象俊美，肤色黝黑，为适应外太空强宇宙辐射的恶劣环镜。

( 创意改写编辑：未平 ) 

注：本文转载自https://cloud.tencent.com/https://news.sina.com.cn/http://www.sohu.com/，，转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如有侵权行为，请联系我们，我们会及时删除。