宇宙学家怎么看国产最牛科幻片《流浪地球》？

今年春节档，《流浪地球2》回来了，动人心魄的故事情节、酷炫的特效、硬核的科技范儿让无数影迷大喊过瘾。

那么，电影之外，整个流浪地球的宏大背景和其中的科幻设定，让人充满好奇，太阳氦闪有多可怕？地球真的有必要流浪吗？小说和电影中的讲述真的科学吗？宇宙学家怎么看？

2023年1月，混沌文理院第四期第五模块“物理与宇宙”在古城长沙开课。中国科学院国家天文台研究员陈学雷老师在“文理夜话”中为同学们解析了今年春节档最火爆的电影之一：《流浪地球》。

陈老师的解析分为以下五个部分：

1.   太阳会老化吗？

2.   地球是否有必要流浪？将去向何方？

3.   流浪地球真能实现吗？

4.   木星、潮汐、洛希极限

5.   真实世界的行星迁移和流浪行星

本文选取了课程中前两个小节的小部分内容，回答“太阳会老化吗”和“地球是否真有必要去流浪以及去往何方”两个最为核心的问题。

混沌文理院为混沌旗下文理教育品牌，今年已经第五年。我们致力于邀请国内著名的教授、学者，为学员提供涵盖哲学与世界、生物与宇宙、艺术与美学、认知与系统、政治与法律、思想与文化等板块的专业文理教育。文理院五期正在招生。

以下为陈老师的分享。

首先我简单总结一下小说的内容，不涉及里边的具体情节，主要讲其中的科幻设定。

在小说里提到就是太阳迅速衰老，即将发生氦闪变成红巨星吞噬地球，人类为了应对这种情况，需要把地球装上发动机，决定飞往离地球最近的恒星比邻星。由于地球发动机改变了地球转动状态，海啸横扫整个地球表面，按照刘慈欣的说法，地球上已经有2/3的人在海啸当中死去，同时远离太阳和地球停止自转导致地球大部分区域极度寒冷，人类转入地下生活。

在地球加速、逃逸中，经历极寒、极暑、穿越小行星带等危机，人类的生活、习俗、心理发生巨大变化。小说的主要情节就是关于经过这些变化以后，人类社会是怎样运行的。

之后大家发现太阳一直没爆炸，也没有变成红巨星，太阳好像粗看起来跟原来是基本上是一样，由于太阳变化不明显，人们开始广泛怀疑太阳氦闪理论，发动暴动，推翻政府，处死了科学家，决定推动地球返航。就在此时，氦闪发生，小说到此结束。

电影把大的前提和背景保留下来了，但是故事情节和小说里的完全不一样，人物也完全不同。

在《流浪地球1》里，地球已经驶上了航程，在飞行过程中部分发动机失灵，地球即将撞上木星，电影里的几个主人公穿越冰冻的地球表面，前往修复地球发动机，发动机虽然修复，由于推力不够，尚不足以推动地球摆脱木星引力，此时大量地球上的氧气被吸入富含氢气的木星，在没有任何办法的情况下，空间站上的航天员牺牲自己，引爆木星，爆炸驱动地球飞离木星，这是电影第一部所讲述的故事。

下面转入科学部分的介绍，关于刚才提到的几个科学问题。可以对比小说的设定，看看真实的世界里是什么样子。

流浪地球大背景，到底什么是太阳氦闪？

太阳会不会老化？毕竟生活在太阳下，这是对人类来说一个至关重要的事情。首先看看太阳的整体结构。 

1.什么是太阳？

太阳提供了地球上的大量能量，太阳的半径大概是70万公里，是地球的1109倍，质量差不多是2乘10的30次方千克，是地球的33万倍。平均密度1.4克每立方厘米，比水稍微重一些，水是1克每立方厘米。光度是3.854乘10的26次方瓦这样一个量级，表面的重力是地球的28倍。比较重要的是表面温度，太阳的表面温度是 5880K ，K是一个温度的单位叫开尔文，与摄氏度类似，简单的理解，摄氏度加上273 就等于开尔文。其中心的温度是1500万K ，所以太阳表面较凉 ，里面非常热。关于成分，太阳里面大部分是氢和氦，其他占比大概2%左右，这是太阳。 

下面这张图显示了太阳的整体结构，用肉眼可以看到一个球，叫光球层，如果用摄影机拍摄，会看到外环一层红色，叫色球层，我们能看到的就是光球层和色球层。 

另外有时候太阳表面有所谓的黑子，喷出来这种环状的叫日珥，太阳会爆发产生耀斑，在周围显成形成日冕等等。这些日冕就是周围像气体一样的包，在日食出现时可以看到，太阳里面的情况无法直接看到。 

太阳中心的地方有一个球叫做核，发生核反应产生能量。在核之外有一圈叫做辐射层，这里面基本上没有对流，完全是靠辐射传热，再外面有一层叫对流层。 

理论上推算是这样，那么我们怎么知道这个理论是不是正确的呢？虽然不能直接看到太阳内部，但也有一些观测检验。经过一些比较，比如看到太阳表面有震动，叫日震学，这些震动可以反映太阳内部的结构；另外太阳中心核反应释放的中微子可以被探测到等，通过这些理论和实验的比较，人类对太阳的结构有较大把握。 

2.恒星演化

接下来讲到赫罗图 （Hertzsprung-Russell diagram），这两个是天文学家的名字，赫罗图是只有在天文课里才会讲的一个内容。赫罗图乍看起来很复杂，实际上了解它的结构后并不难懂。 

我们首先要理解它的轴，有横轴和纵轴。图底部的横轴和图上部的横轴是不同的，左边的纵轴和右边的纵轴也是不同的，那这些轴是什么意思呢 ？底部横轴标注了几个字母，OBAFGKM，这是恒星的类型。天文学家早期观测到了一些恒星以后，根据它们的性质进行分类，第一个看到叫A型，第二个看到叫B型，依次类推，出来字母顺序，后来研究发现这些类型有一定的规律，但并不是按ABC这样的字母次序排列，而应该是按照次序OBAFGKM排列。为了记住这一堆字母 ，大家编了一个口号 ，叫做Oh Be A Fine Girl，Kiss Me，有助于记忆。其实，这个次序反映了恒星质量由大到小。 

上边的横轴可以看到写的20000、10000、6000、3000，这是恒星的表面温度，太阳表面大概接近6000K，不同的恒星表面的温度不同，与我们一般习惯的从左向右递增不同，这条横轴是从右向左增加的。 

左边的横轴标注的是绝对星等。星等是天文学家用来标志恒星亮度的东西，古时候古希腊的天文学家记录星星亮或者暗，完全是靠肉眼，把最亮的星叫一等星，最暗的星叫五等星，以此类推。现在的测量基本上保持跟古希腊人一致，形成了星等，所以会发现，也正好是反着，越往上是越负的数，越往下是越正的数，往上代表星更亮一些，往下代表星更暗一些。绝对星等是假定所有星都在同样距离时看到的星等，这样排除了距离因素，反映了恒星本身的光度。 

右边的纵轴比较容易理解，拿普通的光学流量单位来表示恒星光度。 

这张图是如何形成的？在天空中看到这一颗星，把它的表面温度测出来，绝对星等或者说光度测出来，就点在这张图上。上图是个简化版本，图里给人的感觉好像是各个温度的星的数量都差不多。实际上并不是这样，如果实际测量的话，分布在右下角的星（也就是质量小的星）非常多，左上角的星（质量大的星）比较少，但是如果画得太多了，密密麻麻一团看不清楚，所以在恒星太多的地方基本上就只抽选了一些，最后画出来成为上图。 

画完后会发现很有规律，首先沿着对角线方向，有长长的一条。在这个长条之外，左下角有一堆 星，然后右上角有两堆 。 

所以，天文学家一开始并不知道其中的原因，但是根据现象做了一个研究，这一堆长长的沿着对角线这一条，好像是一个序列，叫主序星。主序星按今天的理论去理解，就是核燃料充足正在正常进行核燃烧的恒星。还有巨星和超巨星，一开始大家把更亮的这些星叫巨星，后来又发现了一些更加亮的，叫超巨星，主序星的数量远远多于这两种。 

主序星寿命结束的时候，就会转化成巨星和超巨星，这两者的数量就比主序星要少很多，这是因为主序星的寿命或者说是持续的时间比较长，巨星的寿命比较短，所以一眼望去，主序星很多而巨星不太多。 

星星比人类要幸运，人到年纪大了就去世了，星星死亡后没有彻底消失，在赫罗图上看就是从巨星会跑到下方形成那一堆特别暗星，这些特别暗的星叫白矮星。暗的这些星的温度也很高，暗的原因是由于星变小，这些星虽然温度表面温度很高，也在发光，但是由于面积很小，所以较暗。 

这一页上面还有一张图，热辐射的温度和颜色有关，温度越低的越红，温度越高越蓝，这与日常有点不同，日常我们把红色叫暖色，蓝色叫冷色。看这些星的颜色不一样，有的是红色，温度比较高的就变成蓝色，太阳大概是黄色，在G型星这个位置上，这是天文学里跟我们今天要说的有关的一些核心内容 。 

有了这几个工具以后，来理解太阳的衰老问题。 

3.红巨星和氦闪

首先，太阳在不断释放能量，大约是3.8乘10的26次方瓦。其中向各个方向都有，地球收到的只是其中一小部分，大概10的17次方瓦左右，而当前人类用的能量大概是10的13次方瓦。 

太阳的能量来源是4个氢原子核成聚变成一个氦原子核。氢原子核实际上就是一个质子，氦原子核里有两个质子、两个中子，这个反应释放能量。上图展示了过程，两个氢核首先聚变形成一种物质，同时释放一些光子和中微子，形成的东西是²H叫氘，是氢的一种同位素。两个氘核再反应，形成的核叫做氦-3 ，同时再释放出一个中子。同样另一边也形成一个氦-3，两个氦-3再反应产生一个氦-4再加上两个质子，，这样就形成了一系列反应链。这种反应链叫PP链，与此同时还有其它不同的反应链也可以导致氦-4的合成。总之，通过这样一系列反应，在每个反应当中都会释放一些能量，提供最后的能量总和。 

在这里有个问题，任何东西最后都会耗光，核聚变确实可以释放很大的能量，但氢核也是有限的，持续进行一段时间后就耗光了。核聚变需要很高的温度才能进行，太阳中心的温度最高，所以核聚变一开始只在中心的一个小层，就是刚才说的太阳的核心里头。它产生的能量则以辐射的形式向外传播。 

太阳里有很多物质，所以光子不会一下子传出来，撞到外面的物质后，把外面的物质加热，然后这些物质再进一步往外辐射 ，这样一步一步往外出。同时光也有压强，这部分压强很重要，恒星内所有的东西都有一个压力和重力平衡的问题，靠里面的地方压强比较大，来抵抗万有引力导致的物质往里落的趋势，所以高压也非常重要。由于聚变只有在温度高的地方才能进行，所以只在太阳中心的一小块地方有这种核反应。 

经过一段时间后，太阳从形成到最后经过120亿年核心里的氢最终耗尽。这个120亿年是计算出来的，不同质量的恒星，或者不同成分的恒星，都可以用不同的模型去计算。 

最后的中心，核反应都聚完了以后只剩下灰烬，这个灰烬就是氦核，那时候核反应就结束了，就像一个炉子，里面的煤烧完了，炉子就冷了。聚变结束时核心变冷，辐射压降低，这时它在周围物质引力作用下就会往中心凝聚收缩。经过一段时间收缩，中心温度和压强升高，周围的温度和压强也相应上升，这样在围绕着氦核中心的圈球壳里，虽然原来不发生聚变反应，但现在也可以发生氢的聚变了。 

这一壳层发生核聚变后，会导致产生的能量反而比一开始中心的一小块更多，产生的能量释放出来后，它外面这一圈外壳，它是一个不透明的东西，所以释放的能量并不能一下子出去，大量的能量就进入外边的外壳，驱动它不断向外膨胀。膨胀后会变得非常大，但由于往外膨胀变得很稀薄，所以最后温度反而降低了。温度降低后，它的辐射变成了红色，叫做红巨星，也就是赫罗图上位于主序星上方的那部分星。 

那么这个外壳会膨胀到多大 ？外壳最后可以膨胀到一到两亿公里，前面提到现在太阳半径只有70万公里，所以一下子胀大了100多倍，地球离太阳是1.5亿公里，如果膨胀1-2亿公里，就可以把地球直接吞进去。可以想象无论是地球还是比地球更接近太阳的金星、水星，最后都会被它吞噬。一旦吞到里面以后会发生什么？因为地球在太阳里还在转，但是太阳里有气体会产生阻力，地球的能量逐渐丧失，就会越来越往下掉，最后掉到太阳中心。 

所以说《流浪地球》所担心的事情非常可怕。 

这会发生在什么时候？可能为了故事需要，小说里修改了科学规律。因为目前的预测，太阳整个燃烧要持续120亿年，根据现在太阳系里的一些陨石，或者月球年龄的测量，发现太阳系应该存在了大约46亿年，可以推测它应该还有70多亿年的时长。所以，我们并不用太担心太阳变老的问题，如果拿一个白天做比喻，太阳现在还没到中午，基本上相当于比较晚的上午，我们茶歇的时间。所以说太阳最终会老化，但并不是现在。 

太阳在变成红巨星以后会，还可以发生进一步的核反应。宇宙当中绝大多数物质就是氢和氦。那么氢全部燃烧后，只要温度足够高，氦还可以继续发生聚变，形成更重的元素， 比如碳。 

这个过程不是一开始就进行的，需要一段时间。 

氢在中心氦核周围的这一壳层里反应，把燃料也烧光了，变成了氦，氦越聚越多，但是氢聚变停止后压强又减小了，于是又会收缩下压，导致太阳中心的温度变得越来越高，高到一定程度后达到氦的核聚变燃点，氦就烧起来了。 

这就好像一种很难烧的燃料平时很难点燃，突然有一个很高的温度去点它，就着起来了。这个氦突然发生的核聚变反应就叫做氦闪。氦闪时中心会一下子释放大量的能量，但是这些能量并不是一下就可以看到，因为其外面还是有一层不透明的外壳 ，大量的能量转化成驱动外壳进一步往外膨胀，膨胀得更大，这就是所谓氦闪 。由于这个过程比较复杂，而氦闪又是一个很短时间的过程，现在人们还不完全确定氦闪时从外面到底会看到哪些现象。 

在《流浪地球》里也提到了氦闪，在这个科幻里的科学家认为几百年后太阳要发生氦闪，所以要驱动地球跑掉，实际上刘慈欣可能对相关内容的理解有误，他把太阳变成红巨星和氦闪当成同一件事情，其实并不完全是这样，先有红巨星，然后经过一段时间后形成氦闪，实际上是两个事情 。 

地球是否有必要去流浪，将去向何方？

按照这样的设定，就带来这样一个问题，是否有必要去流浪，流浪到哪儿去？其实按照刚才的分析并不太需要流浪到太阳系之外。现在地球在太阳系内所处的位置叫做宜居区，宜居区是指它离太阳既不太远，也不太近，太近的话太热了，水会变成水蒸气，太远的话太冷，水会变成固态，形成冰，生命需要液态水，所以说对太阳系来说，地球、火星所在区域叫做宜居区，这里的行星温度处在液态水可以存在的范围内。 

宜居区的位置取决于太阳的辐射有多亮。在太阳变成红巨星后，原来的位置不适宜，但只要离得远一些，还是有宜居区。只要把地球移动到木星跟土星之间的位置，这一片区域仍然是宜居区，所以说并不需要跑那么老远，红巨星的时间依然可以持续大概一亿年，足够繁衍很长时间。 

但故事中说要移到另外一个地方去，选定的地方叫比邻星，比邻星实际上是所有恒星当中离地球最近的一个。下面图中左边显示了银河系，其中心一片是银河系的核球，而太阳在外面的银盘里，这一条一条的是银河系的旋臂。中间的小图显示了太阳系的邻居，其中中心是太阳，周围有很多恒星，这里面有一些是我们平时比较熟悉的恒星。图内也显示了比邻星，包括比邻星所在的系统叫做半人马座α星，半人马座α比比邻星稍微远一点。 

比邻星跟太阳比较相似，比太阳质量稍微小一点，比较暗，在地球上肉眼看不见。但半人马座α本身很亮，是一颗南天的亮星，到南半球可以看到著名的南十字，像澳大利亚和新西兰，国旗上都画有南十字，在南十字下方很容易找到半人马座α。 

比邻星还有整个半人马座α，是离地球最近的系统，所以经常出现在科幻片里，不仅仅《流浪地球》里是这样，《三体》里的三体星系就是半人马座α。在《三体》里，三体人也就是半人马座α的人，跑到地球来侵略，而在《流浪地球》里是跑到半人马座α去。 

不仅限于它，《变形金刚》《阿凡达》的基地也在比邻星。 

这里有个问题，电影里说流浪地球要经过木星，可问题是去比邻星似乎并不经过木星 ，为什么这么说？木星在太阳系内沿着一条轨道移动，位置不固定，但木星轨道和地球轨道一样，都在同一平面上，这个平面叫黄道面，就是星图上绿的这条线。这张图上可以看到，蓝蓝的是银河的方向，比邻星也在银河里，大概的位置离绿线有一段距离，并不经过那里，所以这里会问，为什么去半人马座α要先经过木星，好像不在一个方向上，而应该是驶离黄道面。但其实，这里的情况比较复杂。 

我们下面在讨论“流浪地球是否真能实现”时会看到，由于流浪地球的推力有限，它并不是一下直接飞向半人马座，而是逐渐加速，并试图利用木星的引力弹弓效应改变方向。