流浪地球中的科学问题

恒星其实也像人类一样，有出生、成长、壮年、衰老和死亡，这个过程就是恒星的演化。

宇宙中散落着很多星际物质，主要是氢和氦，以及少数的重元素。它们之间存在万有引力，会一点点聚集，形成一个大质量的核，这个过程中引力势能逐渐释放，核心温度越来越高，压强越来越大。一旦核心的温度和压强达到了某个条件，就会引发氢的聚变，星球就开始发光发热，一颗恒星就诞生了。

原恒星

在相当长的一段时间里，聚变产生的向外压力和引力产生的向内的收缩力彼此平衡，核反应可以缓慢而平稳的进行，这个阶段的恒星叫做主序星。我们的太阳就处于这个阶段。

可是，当氢燃料消耗殆尽的时候，聚变反应无法对抗恒星的引力，恒星的核心部位会发生收缩，它的温度会升高，反而让反应变得更加剧烈，整个恒星亮度会变为原来的1000到10000倍。于此同时，由于一些复杂的物理过程，会让恒星的体积发生膨胀，这就是红巨星。50亿年后，太阳会变为红巨星，太阳的边缘会到达地球轨道所在的位置，从而让地球不适合人类生存。

太阳和开普勒空间望远镜探测到的红巨星比较

而且，红巨星阶段，恒星核心温度持续上升，当温度上升到1亿至2亿度的时候，会发生更强烈的热失控，氢聚变成的氦会再次聚变成碳，在一两分钟的时间内释放出极其强大的能量，摧毁太阳系内的一切行星，这就是氦闪，也是小说《流浪地球》最后描述的灾难性场景。

氦闪

距离太阳最近的恒星系统就是南门二（半人马座α），它是由三颗恒星组成的，小说《三体》中三体人也居住在这个星系。

南门二的三颗恒星

三颗恒星中距离地球最近的就是比邻星，与地球有4.2光年远。相比于其他恒星动辄几千上万光年远，比邻星还真是地球的邻居。

比邻星

而且，比邻星是一颗红矮星，它的寿命非常长，可能达到上千亿年，相比而言，太阳只有一百亿年的寿命。如果流浪地球计划成功，地球泊入比邻星，可能就一劳永逸了。

如果你朝一列飞驰的火车扔皮球，皮球反弹的时候速度会变快，这是因为火车给了皮球一些能量，这就是弹弓效应。

同样，如果让地球以特定的方向靠近木星，依靠木星的引力转向，再远离木星，地球就可以加速，这就是引力弹弓效应，它的效率远高于火箭推进器。

引力弹弓是人类早已掌握的空间技术。1977年NASA发射了旅行者一号，依次经过木星、土星、天王星和海王星的引力弹弓加速，成了距离地球最远的航天器。此外，伽利略号、卡西尼号、信使号、尤里西斯号等空间探测器都用到了引力弹弓效应，这种效应在空间技术中越来越普遍。甚至有人把引力弹弓称作是“宇宙中的高速公路”。

旅行者一号利用引力弹弓的加速过程

1990年，旅行者一号拍了一张太阳系全家福，地球不过是一个暗淡的蓝点，人类千万年的王朝更替，璀璨的文明和无数的先贤智者， 也不过都发生在这一粒宇宙的尘埃之上。

在小说中并未提到洛希极限，在电影中，编剧增加了一个情节：地球靠近木星的时候，由于进入了木星的洛希极限，地球即将被撕碎。这样的事会发生吗？

在月亮围绕地球旋转时，月亮会受到地球的万有引力和惯性离心力的作用，这两个力方向相反，它们的合力叫做潮汐力。在潮汐力的作用下，月亮会被稍稍拉长，这叫做潮汐隆起。

月球表面的潮汐力分布

假如月球太靠近地球，表面处的潮汐力超过了自身的万有引力，月球就会散掉，这个最近的距离就称为洛希极限，是法国天文学家洛希提出的。

进入洛希极限的过程

其实，许多大天体和小天体之间都存在洛希极限，洛希极限的数值和大天体的半径、两个天体的密度都有关系。因为进入洛希极限而被撕碎的例子很多，例如土星光环就因为一颗小行星进入了土星的洛希极限，潮汐力将小行星撕碎形成的。

土星光环

可惜的是，洛希极限是《流浪地球1》非常严重的BUG。地球-木星的刚体洛希极限是5.5万公里，流体洛希极限是10.5万公里，而木星的半径是7万公里。也就是说：在地球撞上木星之前，都不会进入刚体洛希极限，地球不会被撕碎。

可是，人工智能MOSS给出的洛希极限分别是89万公里和171万公里，都远远大于木星的半径，这才造成了木星危机。

电影截图

实际上，影片错把太阳-木星的洛希极限值当作了木星–地球的洛希极限值，以下是wiki百科给出的各种天体洛希极限值。看起来，MOSS是真的想叛变。

各种天体之间的洛希极限

在小说和电影中，人类建造了12000台行星发动机，每台行星发动机可以提供150亿吨的推力，希望地球在500年的时间里达到光速的千分之五。现实中这可行吗？

我们只需要用中学时候学过的牛顿第二定律和运动学公式就可以了。根据牛顿第二定律，如果所有的推力集中在同一方向，那么地球的加速度为

然后，根据运动学公式，加速到光速的千分之五，需要的时间是

也就是说，假如一切正常，大约也需要16万年才能加速到光速的千分之五，而这时地球早都飞过比邻星了。注意：这里并不需要考虑引力弹弓效应的加速，因为引力弹弓最多只能把地球加速到几十千米每秒，而光速的千分之五是1500km/s.

在小说和电影中，流浪地球的第一步是刹车，就是利用赤道处的行星发动机让地球停止自转，这时会发生什么？

由于地球自转所产生的惯性离心力，海水会向赤道聚集，赤道处的海平面会比其他位置高。停止自转之后，赤道处的海水涌向两极，造成赤道处海平面降低，南北半球海平面升高，淹没沿海城市。

同时，由于海平面的变化，会造成地壳应力结构变化，引发全球范围的大地震。

人类为什么不驾驶飞船离开太阳系，而非要带着地球一起流浪呢？小说原著里对这个问题进行过解释：持这种观点的人叫飞船派，他们认为可以在宇宙飞船中制造一个适合人类居住的生态系统，直到人类找到新的家园。而地球联合政府认为：飞船里的生态系统太小了，一定会崩溃，这就好像是一个鱼缸，如果不换水，鱼缸就会臭掉，所有的鱼都会死。而在江河湖海中，由于空间很大，环境的容错能力就很强。

生态系统必须能完成能量流动、物质循环、信息传递三大功能。绿色植物通过光合作用合成有机物，动物吃植物，死后被微生物分解，形成能量流动。而构成生命的各种无机物，也在食物链和食物网中形成了循环。

生态系统是在地球巨大的空间里，在亿万年的时间里逐渐演化形成的，具有稳定性和自我调节能力。而且，生态系统越复杂，稳定性就越强。你可以想象：如果世界上只有一种植物，那么它灭绝后，生态系统就会崩溃。人造生态系统体积太小，自我调节能力弱，缓冲量太小，很容易崩溃。

上个世纪九十年代，人类曾经斥资数亿美元，在亚利桑那的沙漠中人造了一个封闭的生态系统——生物圈2号（生态圈1号就是地球），八名志愿者携带几千种动植物进入其中，并且使用了最先进的保障系统，可是最终生态系统崩溃了，动植物大量灭绝，害虫成灾，就连志愿者都分裂成两派，实验不得不提前结束。

生态圈2号

至少在目前，地球依然是人类唯一的家园，我们还不具备在月球或者火星上建立生态基地的能力，更不具备长时间星际远航的能力。人类至今还没有能力创造一个和生物圈一样的生态系统，地球仍然是人类唯一的家园。

当然，流浪地球操作难度更大。刘慈欣又设想了一个方案，他说：我们做一个银河列车好不好？每一节车厢都是一个小的飞船，都是一个部件，这些小飞船又可以联结在一块组成一个大的飞船链，这样可以形成一个巨大的生态系统，一旦因为某些原因某个飞船出现灾难可以及时断开，不至于使整个飞船链都出现问题。

也许，《银河列车》就是下一个系列的科幻电影了。