科普《流浪地球》：太陽何時會終結?地球能否去流浪?

　　來源：中國科普博覽

　　作者：哈爾濱工業大學（深圳） 李會超

　　經歷了漫長的時光後，太陽終於走到了生命的盡頭。它的光芒開始增強，它的體積開始膨脹，表面逐漸接近原本距離太陽表面1億5千萬公里的地球軌道，並將它吞沒。這恐怖的場景並非杞人憂天的妄想，也不是科幻小說為了故事情節而編造的橋段，而是根據我們所認識的物理規律和觀測到的漫天星辰所得到的嚴謹的科學結論。在未來某天，這件事確定會發生。

　　那麼，我們是不是該準備跑路，準備「流浪地球」了？不，請先等等。現在就流浪，未免有點早。這件事，咱們還得從頭說起。

　　太陽產生能量的方式

　　1945年，美國相繼向日本投下了兩顆原子彈，徹底馴服了法西斯野獸。美國白宮在事後發表的聲明中義正言辭地說，原子彈將「太陽釋放能量的力量降臨到把戰爭帶給遠東的人」。

　　從感情上講，這句話給終結二次世界大戰的這次轟炸增添了幾分替天行道的意味，再合適不過了。但從科學上講，這句話存在些許的偏差。和廣島長崎的原子彈一樣，太陽釋放能量依靠的也是核反應。然而，原子彈使用的是重元素的核裂變，即一個分子量較高的元素通過鏈式反應，裂變成分子量較小的元素。說簡單一些，就是一個大原子核裂變成幾個小原子核。而太陽則走了一條方向相反的技術路線。太陽使用核聚變，將分子量為1的氫原子核（實質上就是一個質子），經過3步中間過程，聚變成分子量為4的氦原子核。無論是核裂變的大核變小核，還是核聚變的小核變大核，物質在核反應後的總質量均小於核反應之前，而損失的質量則轉化成了原子彈爆炸或者太陽發光發熱的能量，其基本原理可以用我們耳熟能詳的愛因斯坦質能方程E=mc^2來描述。

太陽進行核聚變的三步鏈式反應。圖片來源wikipedia

　　前不久，我們沉痛地送別了我國氫彈事業的開創者于敏院士。氫彈利用了和太陽相同的核聚變原理，能夠產生更大的爆炸威力。氫彈一旦投放出去，就會在短時間內將自己的能量全部釋放出來，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污染的能量產生方式服務我們的生產與生活，科學家們一直致力於可控核聚變裝置的研究，使核聚變能在一段時間內持續穩定地向外輸出能量。例如，托卡馬克是一種比較有前景的可控核聚變裝置，它的外形像一個放倒的輪胎，利用磁場束縛住注入其中的帶電粒子，使它們能夠按照人們的控制進行核聚變反應。遺憾的是，雖然各個國家都已經投入大量的資源，也建立了ITER等國際合作計劃，但托卡馬克目前仍然處在原理試驗階段，其中核反應所釋放的能量能夠將核反應本身維持一百多秒已屬不易，並不能夠額外輸出能量，距離實用化尚有很長一段距離。

　　托卡馬克又被稱為「人造太陽」。圖為中科院部署在合肥的先進實驗超導托卡馬克（EAST）  圖片來源：中科院等離子體物理所科普園地

　　而太陽，則已經穩定地進行了約46億年的可控核反應，持續不斷地用光和熱哺育整個太陽系。

　　那麼，控制太陽不變成一顆氫彈，力量來自於哪呢？  

國際空間站上看到的太陽照耀下的地球。圖片來源NASA

　　它們之間的平衡使太陽沒有成為一顆氫彈

　　其實，這種力量就是我們最熟悉的重力，讓牛頓的蘋果落到地面的重力。

　　從感覺上，司空見慣的重力似乎很難和毀天滅地的核反應相匹敵。但量變會引起質變，聚合成質量相當於33萬個地球的太陽的物質所產生的重力，已經足以控制住核反應。事實上，可以說是重力與核反應之間的相互作用主宰了太陽的生命印記。

美麗的獵戶座星雲，正在通過聚集物質的方式孕育新的恆星。圖片來源：NASA

　　太陽這樣的恆星形成於原始星雲，在自身重力的作用下，組成原始星雲的物質不斷向一起聚集收縮，密度和壓強不斷增大。人類製造的核聚變裝置中，無論是不可控的氫彈還是可控的托卡馬克，像啟動汽車發動機一樣使核聚變開始，是一件相當困難的事情。進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，橫亘在核聚變發生的道路上。要觸發核聚變，就必須先有足夠的能量克服靜電斥力，翻過這座大山，讓發生聚變的原子核足夠接近。在引爆氫彈時，觸發核聚變發生，靠的是先行引爆的一顆小型核裂變原子彈所產生的溫度和壓強。對於托卡馬克，這種「大力出奇蹟」的點燃手段顯然不適用，則需要採取歐姆加熱和其他輔助加熱手段共用的方式來讓核聚變開始。

　　在太陽這樣的恆星形成時，點燃核聚變靠的僅僅是重力的擠壓。由於物質本身的壓強產生的向外膨脹的力，不足以抵禦驅動物質向內收縮的重力，星雲中物質一邊聚集一邊向內收縮的過程可以不斷持續下去，中心的密度和壓強持續增高，迫使氫原子核相互接近，進而觸發了核聚變反應開始。同時，恆星中聚集的質量又決定了核反應的速率。質量越大的恆星，中心會受到更大的重力壓迫，產生更高的壓強，使更多的氫原子核相互接近，核反應的速率也就更高。

　　當太陽已經是一顆成熟的恆星後，核反應的速率與恆星物質的重力達到了一種簡潔又精巧的平衡。如果太陽從平衡態向外膨脹，中心受到的擠壓減小，核反應的速率將會降低，產生的能量將會減少，恆星中心的溫度將會降低。這樣，恆星中心向外膨脹的力無法支撐恆星向中心收縮的重力，膨脹過程無法持續。反過來說，如果太陽向中間收縮，將會使核反應加速，產生更大的向外膨脹的力，收縮過程同樣無法持續。總之，一旦步入壯年，太陽想向外擴張時後勁不足，想向里收縮時又會受到很大的抵觸，因此只能穩定在一個相對固定的個頭上。

　　使恆星向內坍縮的重力與使恆星向外膨脹的核聚變反應在主序恆星階段達到平衡。原始圖片來源：http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/olson1/

　　這種精巧的平衡並非我們太陽的專利，而是放之宇宙而皆準的一個基本原理。科學家們通過長期的觀測積累後，發現處於壯年的恆星幾乎都處在這樣一種穩定的狀態中。科學家們把處於這些狀態的恆星稱為「主序恆星」。對於這些恆星來說，確切的平衡點位置與恆星的總質量有關。質量較大的恆星，平衡狀態下的核反應速率要高於質量較小的恆星。

　　太陽的終結與地球的流浪

　　如同人有生老病死一樣，上文所說的這種平衡並不能天長地久，總有終結的一天。與人從衰老走向死亡的過程所不同的是，太陽生命終結的過程是豐富的、絢爛的、激烈的，在經歷一系列膨脹、爆炸與脈動後，最終歸於沉寂。

　　而在這一切開始之前，人類就得想辦法趕緊開始上路，成為流浪地球了。因為太陽這個天空中的大爐子，隨著時間的增長會越燒越旺。當煤爐中的煤燃盡時，我們會想辦法將灰燼請出再加入新煤保持爐火繼續燃燒。然而，對於太陽這樣的恆星，沒有外部的力量為它完成這個過程。核反應消耗氫、形成氦，而產生的氦就堆積在恆星內部。由於氦的分子數要大於氫，因此恆星內部的密度將會隨著恆星年齡的增加而增大，內部核反應的速率也會逐漸增加。研究計算表明，目前太陽的核反應速率大概比太陽剛成為主序恆星時大30%，而在55億年後（這個數字具體多大，不同學者可能會有不同的結論，但總體上都是幾十億年的數量級），不斷加快的太陽核反應速率使得當時太陽輻射出的能量約已經是現在的2倍。在如此劇烈的輻射照耀下，地球表面的溫度將超過300攝氏度，海洋和湖泊中的液態水早已被汽化。以我們現在的認識（誰也說不好幾十億年中人這種生物將會發生怎樣的進化），在這種環境下，包括人類在內的生物體都是無法生存的。除非當時的人們研發出了能夠遮擋太陽劇烈輻射的裝置，否則就不得不踏上流浪之旅了。此時，雖然地球已經成為一個無法為人類生存的世界，但此時的太陽還仍舊處於主序恆星狀態。

　　藝術家想像的從地球上看到的紅巨星狀態的太陽。圖片來源https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/r/Red_giant.htm

　　1.紅巨星

　　而再往後，太陽中心區的氫燃燒殆盡，停止了氫聚變成氦的熱核反應，變成了一個氦核。由於沒有核反應對抗重力，恆星中心附近的物質開始向核心擠壓，不斷增高核心的溫度。距離核心較遠的一些殘存的氫在核心釋放的高溫作用下被點燃，驅動太陽的外層不斷向外膨脹，相繼吞併水星與金星的軌道，並有可能吞沒地球的軌道。此時的太陽已經退出了主序恆星的隊伍，變成了一顆紅巨星。（紅巨星是恆星燃燒到後期所經歷的一個不穩定階段）

　　能夠吞併地球軌道的紅巨星太陽，左下角的小黃點是太陽現在的大小。圖片來源wikipedia

　　2.脈動變星

　　接著，太陽進入了「內外兩開花」的狀態。除了外部的氫殼繼續發生核聚變反應外，內核殘存的氦在不斷增大的溫度作用下被「點燃」，發生了由氦劇變成碳的核反應。相比於最少都是以百萬年為時間單位所衡量的恆星演化過程，氦被點燃的時間短得讓人驚嘆。在數分鐘的時間內，相當於太陽質量40%的氦被劇烈「燃燒」成碳，釋放的能量大致相當於太陽在當前狀態下持續數百萬年所釋放的能量。這種現象被科學家們稱為「氦閃」。之後，太陽在繼續燃燒氦的同時，自身已經無法回到平衡的狀態，不斷地進行膨脹與收縮的交替，成為一顆脈動變星。（脈動變星，是指由脈動引起亮度變化的恆星，數量約有200萬個）

　　當氦也再次燃盡時，太陽的生命也就走到了盡頭。太陽核心的物質將塌縮成一顆密度極高的白矮星，而外層物質則會向外擴張，形成行星狀星雲。白矮星的密度極高，一立方厘米的白矮星的質就足夠有一噸了。

　　屬於行星星雲範疇的貓眼星雲。圖片來源Wikipedia

　　3.地球的命運

　　那麼地球的命運會怎麼樣呢？在紅巨星的演化過程中，吞併地球的軌道是大概率事件。之前有學者認為，由於太陽釋放的能量都是質量轉化來的，由於太陽總質量會隨著核反應的進行而減少，地球受到的引力會相應地減小，地球會自發地向遠離太陽的方向運動。然而，2008年發表在《皇家天文學會月刊》(MNRAS)的一項研究卻發現，潮汐力會遲滯地球遠離太陽的腳步，否定了地球這樣逃出升天的可能。不過，正如前文所述，在太陽變成紅巨星之前，地球就已經被烤成了一片不毛之地。如果坐等大自然的力量拯救我們，恐怕已經來不及了。

　　被眷顧的星球

　　天文學家不是算命先生，他們預知幾十億年後發生在太陽身上的事情，除了可以依靠理論計算和計算機模擬外，還能通過遙看處於不同「年齡」的漫天恆星來勾勒出恆星演化過程的全貌。牛頓、愛因斯坦以及一眾天文學家聯手保證，我們的太陽應該會按照這篇文章里所描述的過程走完自己的一生，太陽精巧而簡潔的平衡幾乎不可能被什麼因素意外破壞。

　　因此，大家除了領略電影帶給我們的震撼與感動外，無需擔心太陽真的會提前開始衰老并吞並地球。雖然有言曰「戲說不是胡說，改編不能亂編」，但科幻小說和電影能夠以相對正確與真實的背景展開已經是相當可貴了，不能苛求它在科學上百分之百的正確。那樣，小說也許就會失去了幻想的翅膀。

　　同時，《流浪地球》也許能讓我們再次發現我們的家園——地球的可貴。這是一顆受到上天太多眷顧的星球，它處在太陽周圍的宜居帶里，可以允許液態水穩定存在孕育生命。較強的地磁場屏蔽了太陽高能粒子的侵襲，保護了大氣層不被太陽風吹走。太陽不會爆發過於強大的耀斑，否則地球將持續處於強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地調節溫度，讓我們處於既不冷又不熱的環境中。適度傾斜的地軸使大部分地區有了四季的變化。地球軌道之外的太陽系其他大行星又吸引了不少可能撞擊地球的小天體。當這些有利的因素集中到一起時，才讓這個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。當我們將望遠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的行星時，卻始終沒有一個確定性的發現。如果現在我們就踏上流浪之路，我們並不知道哪裡才是我們的安身之地。

　　阿波羅8號宇航員在繞月軌道上拍攝的地球圖像。人類有史以來第一次親眼目睹了自己居住的星球從另一個天體的地平線上升起。圖片來源：NASA

　　好在太陽生命的終結髮生在幾十億年之後，而現在的我們則可以好好珍惜我們的家園，不讓戰爭、污染、氣候變化、能源消耗將其破壞，將一個美麗多彩的地球一代一代地傳下去。

你看這地球，多美啊！（GOSE-8氣象衛星於地球靜止軌道上拍攝）圖片來源NASA

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