經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的時(shí)光后，太陽(yáng)終于走到了生命的盡頭。它的光芒開(kāi)始增強(qiáng)，它的體積開(kāi)始膨脹，表面逐漸接近原本距離太陽(yáng)表面 1 億 5 千萬(wàn)公里的地球軌道，并將它吞沒(méi)。這恐怖的場(chǎng)景并非杞人憂天的妄想，也不是科幻小說(shuō)為了故事情節(jié)而編造的橋段，而是根據(jù)我們所認(rèn)識(shí)的物理規(guī)律和觀測(cè)到的漫天星辰所得到的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)結(jié)論。在未來(lái)某天，這件事確定會(huì)發(fā)生。

　　那么，我們是不是該準(zhǔn)備跑路，準(zhǔn)備“流浪地球”了?不，請(qǐng)先等等。現(xiàn)在就流浪，未免有點(diǎn)早。這件事，咱們還得從頭說(shuō)起。

　　Part.1

　　太陽(yáng)產(chǎn)生能量的方式

　　1945 年，美國(guó)相繼向日本投下了兩顆原子彈，徹底馴服了法西斯野獸。美國(guó)白宮在事后發(fā)表的聲明中義正言辭的說(shuō)，原子彈將“太陽(yáng)釋放能量的力量降臨到把戰(zhàn)爭(zhēng)帶給遠(yuǎn)東的人”。

　　從感情上講，這句話給終結(jié)二次世界大戰(zhàn)的這次轟炸增添了幾分替天行道的意味，再合適不過(guò)了。但從科學(xué)上講，這句話存在些許的偏差。和廣島長(zhǎng)崎的原子彈一樣，太陽(yáng)釋放能量依靠的也是核反應(yīng)。然而，原子彈使用的是重元素的核裂變，既一個(gè)分子量較高的元素通過(guò)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，裂變成分子量較小的元素。說(shuō)簡(jiǎn)單一些，就是一個(gè)大原子核裂變成幾個(gè)小原子核。

　　而太陽(yáng)則走了一條方向相反的技術(shù)路線。太陽(yáng)使用核聚變，將分子量為 1 的氫原子核(實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)質(zhì)子)，經(jīng)過(guò) 3 步中間過(guò)程，聚變成分子量為 4 的氦原子核。無(wú)論是核裂變的大核變小核，還是核聚變的小核變大核，物質(zhì)在核反應(yīng)后的總質(zhì)量均小于核反應(yīng)之前，而損失的質(zhì)量則轉(zhuǎn)化成了原子彈爆炸或者太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的能量，其基本原理可以用我們耳熟能詳?shù)膼?ài)因斯坦質(zhì)能方程E=mc^2 來(lái)描述。

太陽(yáng)進(jìn)行核聚變的三步鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

　　前不久，我們沉痛的送別了我國(guó)氫彈事業(yè)的開(kāi)創(chuàng)者于敏院士。氫彈利用了和太陽(yáng)相同的核聚變?cè)?，能夠產(chǎn)生更大的爆炸威力。氫彈一旦投放出去，就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)將自己的能量全部釋放出來(lái)，是一種不可控的核聚變裝置。為了利用這種效率極高又清潔無(wú)污染的能量產(chǎn)生方式服務(wù)我們的生產(chǎn)與生活，科學(xué)家們一直致力于可控核聚變裝置的研究，使核聚變一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的向外輸出能量。

　　例如，托卡馬克是一種比較有前景的可控核聚變裝置，它的外形像一個(gè)放倒的輪胎，利用磁場(chǎng)束縛住注入其中的帶電粒子，使他們能夠按照人們的控制進(jìn)行核聚變反應(yīng)。遺憾的是，雖然各個(gè)國(guó)家都已經(jīng)投入的大量的資源，也建立了 ITER 等國(guó)際合作計(jì)劃，但托卡馬克目前仍然處在原理試驗(yàn)階段，其中核反應(yīng)所釋放的能量能夠?qū)⒑朔磻?yīng)本身維持一百多秒已屬不易，并不能夠額外輸出能量，距離實(shí)用化尚有很長(zhǎng)一段距離。

　　托卡馬克又被稱為“人造太陽(yáng)”。圖為中科院部署在合肥的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克(EAST)。圖片來(lái)源：中科院等離子體物理所科普?qǐng)@地

　　而太陽(yáng)，則已經(jīng)穩(wěn)定的進(jìn)行了約 46 億年的可控核反應(yīng)，持續(xù)不斷的用光和熱哺育整個(gè)太陽(yáng)系。

　　那么，控制太陽(yáng)不變成一顆氫彈力量來(lái)自于哪呢?

國(guó)際空間站上看到的太陽(yáng)照耀下的地球。圖片來(lái)源 NASA

　　Part.2

　　它們之間的平衡，使太陽(yáng)沒(méi)有成為一顆氫彈

　　其實(shí)，這種力量就是我們最熟悉的重力，讓牛頓的蘋(píng)果落到地面的重力。

　　從感覺(jué)上，司空見(jiàn)慣的重力似乎很難和毀天滅地的核反應(yīng)相匹敵。但量變會(huì)引起質(zhì)變，聚合成質(zhì)量相當(dāng)于 33 萬(wàn)個(gè)地球的太陽(yáng)的物質(zhì)所產(chǎn)生的重力，已經(jīng)足以控制住核反應(yīng)。事實(shí)上，可以說(shuō)是重力與核反應(yīng)之間的相互作用主宰了太陽(yáng)的生命印記。

美麗的獵戶座星云，正在通過(guò)聚集物質(zhì)的方式孕育新的恒星。

　　太陽(yáng)這樣的恒星形成于原始星云，在自身重力的作用下，組成原始星云的物質(zhì)不斷向一起聚集收縮，密度和壓強(qiáng)不斷增大。人類制造的核聚變裝置中，無(wú)論是不可控的氫彈還是可控的托卡馬克，像啟動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣使核聚變開(kāi)始，是一件相當(dāng)困難的事情。進(jìn)行核聚變的帶正電荷的原子核間存在靜電斥力，這種斥力像一座大山一樣，橫亙?cè)诤司圩儼l(fā)生的道路上。

　　要觸發(fā)核聚變，就必須先有足夠的能量克服靜電斥力，翻過(guò)這座大山，讓發(fā)生聚變的原子核足夠接近。在引爆氫彈時(shí)，觸發(fā)核聚變發(fā)生，靠的是先行引爆的一顆小型核裂變?cè)訌椝a(chǎn)生的溫度和壓強(qiáng)。對(duì)于托卡馬克，這種“大力出奇跡”的點(diǎn)燃手段顯然不適用，則需要采取歐姆加熱和其他輔助加熱手段共用的方式來(lái)讓核聚變開(kāi)始。

　　在太陽(yáng)這樣的恒星形成時(shí)，點(diǎn)燃核聚變靠的僅僅是重力的擠壓。由于物質(zhì)本身的壓強(qiáng)產(chǎn)生的向外膨脹的力，不足以抵御驅(qū)動(dòng)物質(zhì)向內(nèi)收縮的重力，星云中物質(zhì)一邊聚集一邊向內(nèi)收縮的過(guò)程可以不斷持續(xù)下去，中心的密度和壓強(qiáng)持續(xù)增高，迫使氫原子核相互接近，進(jìn)而觸發(fā)了核聚變反應(yīng)開(kāi)始。同時(shí)，恒星中聚集的質(zhì)量又決定了核反應(yīng)的速率。質(zhì)量越大的恒星，中心會(huì)受到更大的重力壓迫，產(chǎn)生更高的壓強(qiáng)，使更多的氫原子核相互接近，核反應(yīng)的速率也就更高。

　　當(dāng)太陽(yáng)已經(jīng)是一顆成熟的恒星后，核反應(yīng)的速率與恒星物質(zhì)的重力達(dá)到了一種簡(jiǎn)潔又精巧的平衡。如果太陽(yáng)從平衡態(tài)向外膨脹，中心受到的擠壓減小，核反應(yīng)的速率將會(huì)降低，產(chǎn)生的能量將會(huì)減少，恒星中心的溫度將會(huì)降低。這樣，恒星中心向外膨脹的力無(wú)法支撐恒星向中心收縮的重力，膨脹過(guò)程無(wú)法持續(xù)。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果太陽(yáng)向中間收縮，將會(huì)使核反應(yīng)加速，產(chǎn)生更大的向外膨脹的力，收縮過(guò)程同樣無(wú)法持續(xù)?？傊坏┎饺雺涯?，太陽(yáng)想向外擴(kuò)張時(shí)后勁不足，想向里收縮時(shí)又會(huì)受到很大的抵觸，因此只能穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)固定的個(gè)頭上。

使恒星向內(nèi)坍縮的重力與使恒星向外膨脹的核聚變反應(yīng)在主序恒星階段達(dá)到平衡。

　　這種精巧的平衡并非我們太陽(yáng)的專利，而是放之宇宙而皆準(zhǔn)的一個(gè)基本原理?？茖W(xué)家們通過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)積累后，發(fā)現(xiàn)處于壯年的恒星幾乎都處在這樣一種穩(wěn)定的狀態(tài)中。科學(xué)家們把處于這些狀態(tài)的恒星稱之為“主序恒星”。對(duì)于這些恒星來(lái)說(shuō)，確切的平衡點(diǎn)位置與恒星的總質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量較大的恒星，平衡狀態(tài)下的核反應(yīng)速率要高于質(zhì)量較小的恒星。

　　Part.3

　　太陽(yáng)的終結(jié)與地球的流浪

　　如同人有生老病死一樣，上文所說(shuō)的這種平衡并不能天長(zhǎng)地久，總有終結(jié)的一天。與人從衰老走向死亡的過(guò)程所不同的是，太陽(yáng)生命終結(jié)的過(guò)程是豐富的、絢爛的、激烈的，在經(jīng)歷一系列膨脹、爆炸與脈動(dòng)后，最終歸于沉寂。

　　而在這一切開(kāi)始之前，人類就得想辦法趕緊開(kāi)始上路，成為流浪地球了。因?yàn)樘?yáng)這個(gè)天空中的大爐子，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)越燒越旺。當(dāng)煤爐中的煤燃盡時(shí)，我們會(huì)想辦法將灰燼請(qǐng)出再加入新煤保持爐火繼續(xù)燃燒。然而，對(duì)于太陽(yáng)這樣的恒星，沒(méi)有外部的力量為它完成這個(gè)過(guò)程。

　　核反應(yīng)消耗氫、形成氦，而產(chǎn)生的氦就堆積在恒星內(nèi)部。由于氦的分子數(shù)要大于氫，因此恒星內(nèi)部的密度將會(huì)隨著恒星年齡的增加而增大，內(nèi)部核反應(yīng)的速率也會(huì)逐漸增加。研究計(jì)算表明，目前太陽(yáng)的核反應(yīng)速率大概比太陽(yáng)剛成為主序恒星時(shí)大 30%，而在 55 億年后(這個(gè)數(shù)字具體多大不同學(xué)者可能會(huì)有不同的結(jié)論，但總體上都是幾十億年的數(shù)量級(jí))，不斷加快的太陽(yáng)核反應(yīng)速率使得當(dāng)時(shí)太陽(yáng)輻射出的能量約已經(jīng)是現(xiàn)在的 2 倍。在如此劇烈的輻射照耀下，地球表面的溫度將超過(guò) 3 百多攝氏度，海洋和湖泊中的液態(tài)水早已被汽化。

　　以我們現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)(誰(shuí)也說(shuō)不好幾十億年中人這種生物將會(huì)發(fā)生怎樣的進(jìn)化)，在這種環(huán)境下包括人類在內(nèi)的生物體都是無(wú)法生存的。除非當(dāng)時(shí)的人們研發(fā)出了能夠遮擋太陽(yáng)劇烈輻射的裝置，否則就不得不踏上流浪之旅了。此時(shí)，雖然地球已經(jīng)成為一個(gè)無(wú)法為人類生存的世界，但此時(shí)的太陽(yáng)還仍舊處于主序恒星狀態(tài)。

藝術(shù)家想象的從地球上看到的紅巨星狀態(tài)的太陽(yáng)。

　　1. 紅巨星

　　而再往后，太陽(yáng)中心區(qū)的氫燃燒殆盡，停止了氫聚變成氦的熱核反應(yīng)，變成了一個(gè)氦核。由于沒(méi)有的核反應(yīng)對(duì)抗重力，恒星中心附近的物質(zhì)開(kāi)始向核心擠壓，不斷增高核心的溫度。距離核心較遠(yuǎn)的一些殘存的氫在核心釋放的高溫作用下被點(diǎn)燃，驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)的外層不斷向外膨脹，相繼吞并水星與金星的軌道，并有可能吞沒(méi)地球的軌道。此時(shí)的太陽(yáng)已經(jīng)退出了主序恒星的隊(duì)伍，變成了一顆紅巨星。(紅巨星是恒星燃燒到后期所經(jīng)歷的一個(gè)不穩(wěn)定階段)

能夠吞并地球軌道的紅巨星太陽(yáng)，左下角的小黃點(diǎn)是太陽(yáng)現(xiàn)在的大小。

　　2. 脈動(dòng)變星

　　接著，太陽(yáng)進(jìn)入了“內(nèi)外兩開(kāi)花”的狀態(tài)。除了外部的氫殼繼續(xù)發(fā)生核聚變反應(yīng)外，內(nèi)核殘存的氦在不斷增大的溫度作用下被“點(diǎn)燃”，發(fā)生了由氦劇變成碳的核反應(yīng)。相比于最少都是以百萬(wàn)年為時(shí)間單位所衡量的恒星演化過(guò)程，氦被點(diǎn)燃的時(shí)間短的讓人驚嘆。在數(shù)分鐘的時(shí)間內(nèi)，相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量 40% 的氦被劇烈的“燃燒”成碳，釋放的能量大致相當(dāng)于太陽(yáng)在當(dāng)前狀態(tài)下持續(xù)數(shù)百萬(wàn)年所釋放的能量。

　　這種現(xiàn)象被科學(xué)家們稱之為“氦閃”。之后，太陽(yáng)在繼續(xù)燃燒氦的同時(shí)，自身已經(jīng)無(wú)法回到平衡的狀態(tài)，不斷的進(jìn)行膨脹與收縮的交替，稱為一顆脈動(dòng)變星。(脈動(dòng)變星，是指由脈動(dòng)引起亮度變化的恒星，數(shù)量約有 200 萬(wàn)個(gè))

正在發(fā)生氦閃現(xiàn)象的一顆白矮星。

　　當(dāng)氦也再次燃盡時(shí)，太陽(yáng)的生命也就走到了盡頭。太陽(yáng)核心的物質(zhì)將塌縮成一顆密度極高的白矮星，而外層物質(zhì)則會(huì)向擴(kuò)張，形成行星狀星云。白矮星的密度極高，一立方厘米的白矮星的質(zhì)就足夠有一噸了。

屬于行星星云范疇的貓眼星云。

　　3. 地球的命運(yùn)

　　那么地球的命運(yùn)會(huì)怎么樣呢?在紅巨星的演化過(guò)程中，吞并地球的軌道是大概率事件。之前有學(xué)者認(rèn)為，由于太陽(yáng)釋放的能量都是質(zhì)量轉(zhuǎn)化來(lái)的，由于太陽(yáng)總質(zhì)量會(huì)隨著核反應(yīng)的進(jìn)行而減少，地球受到的引力會(huì)相應(yīng)的減小，地球會(huì)自發(fā)的向遠(yuǎn)離太陽(yáng)的方向運(yùn)動(dòng)。然而，2008 年發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》(MNRAS)的一項(xiàng)研究卻發(fā)現(xiàn)潮汐力會(huì)遲滯地球遠(yuǎn)離太陽(yáng)的腳步，否定了地球這樣逃出升天的可能。不過(guò)，正如前文所述，在太陽(yáng)變成紅巨星之前，地球就已經(jīng)被烤成了一片不毛之地。如果坐等大自然的力量拯救我們，恐怕已經(jīng)來(lái)不及了。

　　Part.4

　　被眷顧的星球

　　天文學(xué)家不是算命先生，他們預(yù)知幾十億年后發(fā)生在太陽(yáng)身上的事情，除了可以依靠理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬外，還能通過(guò)遙看處于不同“年齡”的漫天恒星來(lái)勾勒出恒星演化過(guò)程的全貌。牛頓、愛(ài)因斯坦以及一眾天文學(xué)家聯(lián)手保證，我們的太陽(yáng)應(yīng)該會(huì)按照這篇文章里所描述的過(guò)程走完自己的一生，太陽(yáng)精巧而簡(jiǎn)潔的平衡幾乎不可能被什么因素意外破壞。

　　因此，大家除了領(lǐng)略電影帶給我們的震撼與感動(dòng)外，無(wú)需擔(dān)心太陽(yáng)真的會(huì)提前開(kāi)始衰老并吞并地球。雖然有言曰“戲說(shuō)不是胡說(shuō)，改編不能亂編”，但科幻小說(shuō)和電影能夠以相對(duì)正確與真實(shí)的背景展開(kāi)已經(jīng)是相當(dāng)可貴了，不能苛求它在科學(xué)上百分之百的正確。那樣，小說(shuō)也許就會(huì)失去了幻想的翅膀。

　　同時(shí)，《流浪地球》也許能讓我們?cè)俅伟l(fā)現(xiàn)我們的家園——地球的可貴。這是一顆受到上天太多眷顧的星球，它處在太陽(yáng)周?chē)囊司訋Ю?，可以允許液態(tài)水穩(wěn)定存在孕育生命。

　　較強(qiáng)的地磁場(chǎng)屏蔽了太陽(yáng)高能粒子的侵襲，保護(hù)了大氣層不被太陽(yáng)風(fēng)吹走。太陽(yáng)不會(huì)爆發(fā)過(guò)于強(qiáng)大的耀斑，否則地球?qū)⒊掷m(xù)處于強(qiáng)X射線和伽馬射線的轟擊之中。大氣層的密度和成分能夠有效的調(diào)節(jié)溫度，讓我們處于既不冷又不熱的環(huán)境中。適度傾斜的地軸使大部分地區(qū)有了四季的變化。地球軌道之外的太陽(yáng)系其他大行星又吸引了不少可能撞擊地球的小天體。當(dāng)這些有利的因素集中到一起時(shí)，才讓這個(gè)星球上有了生生不息、多姿多彩的各種生靈，才孕育了自封為智慧生物的人類。

　　當(dāng)我們將望遠(yuǎn)鏡指向浩瀚的宇宙之中，試圖從繁星間找到一顆與我們同樣幸運(yùn)的行星時(shí)，卻始終沒(méi)有一個(gè)確定性的發(fā)現(xiàn)。如果現(xiàn)在我們就踏上流浪之路，我們并不知道哪里才是我們的安身之地。

　　阿波羅 8 號(hào)宇航員在繞月軌道上拍攝的地球圖像。人類有史以來(lái)第一次親眼目睹了自己居住的星球從另一個(gè)天體的地平線上升起。

　　好在太陽(yáng)生命的終結(jié)發(fā)生在幾十億年之后，而現(xiàn)在的我們則可以好好珍惜我們的家園，不讓?xiě)?zhàn)爭(zhēng)、污染、氣候變化、能源消耗將其破壞，將一個(gè)美麗多彩的地球一代一代的傳下去。
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