从中学物理看《流浪地球2》

张军

简单来说，《流浪地球2》就是一个讲人类“带球跑路”的故事。不过，对初中生来说，要真正看懂故事发生的背景、情节发展的脉络、呈现的施工或战斗场景，还是有难度的。今天，我们就对初中物理课本知识做个简单拓展，重点谈谈核聚变，回答大家的几个疑问。

从物理角度看太阳

我们知道，物质由大量分子构成，分子由原子构成，原子由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成，原子核由带正电的质子和不带电的中子构成，而质子和中子由夸克构成。当把物质分到夸克或电子，就不能再分了。

我们根据原子核里的质子数目来区分元素种类。具有最简单的原子结构的是1 号元素氢，它有3 种同位素，分别是氕（原子核里只有一个质子，没有中子）、氘（原子核里有一个质子和一个中子）、氚（原子核里有一个质子和两个中子）。

同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，所以在通常情况下，两个氢原子核很难靠近。太阳的主要成分是氢，高温环境使得氢原子核与周围的电子分离开来，形成温度极高的等离子体。太阳核心温度超过1 500 万℃，压强达到2 650 亿个大气压。在这样的高温、高压下，氢原子核就会“拥抱”到一起——4 个氢原子核被挤成了2 个氦原子核，但是质量损失了千分之七（图1，质量损失示意图）。损失的质量m 转化为能量E，且E=mc2（爱因斯坦的质能方程，c 是光速），这就是核聚变，是太阳光和热的来源。你可以把太阳内部看成是一颗一直在爆炸的氢弹，但太阳外层达不到核聚变的高温、高压条件，聚变无法发生。核反应在太阳内部产生的压力可以和向内的引力相抗衡，保持了太阳相对稳定的结构。这个时候的太阳处于青壮年时期，属于主序星。

太阳表面的光球层温度约为6 000℃，可见光基本上都是从这里发出的。光球层外部包围着温度约为1 万℃、厚度超过2 000 千米的色球层（稀薄的等离子体）。色球层之外包围着约200 万℃的日冕层，这里发出的主要是X 射线和无线电波。

色球层某些地方的温度会突然升高到1 000 万℃左右，爆发“耀斑”，发射出强烈的紫外线和X 射线。色球层喷出的火焰会冲出日冕层，形成高达数万千米到数十万千米的环状火焰，这就是“日珥”。

所以，太阳不只是发出可见的七色光以及红外线、紫外线，还发出无线电波、微波、X 射线、γ 射线。所有这些光、射线有个总称，叫作“电磁波”（图2，电磁波谱）。

太阳光球层上会出现“黑子”，这是光球层物质剧烈运动形成的强磁区域，此处温度比周围区域低一两千摄氏度，相对来说有些暗，而实际上它比刚出炉的钢水还耀眼。

太阳活动活跃时，磁场变强，黑子数目增加，耀斑和日珥增多；太阳活动减弱时，磁场变弱，黑子数目减少，耀斑和日珥也减少。这个强弱变化的周期大约是11 年，这就是人们常说的太阳活动周期。

太阳会给地球带来风险吗

日冕中的等离子体会不停地流向宇宙空间，我们形象地称之为“太阳风”。耀斑爆发时，会发射出大量的X 射线、紫外线，同时将等离子体加速甩向宇宙空间，这被称为“日冕物质抛射”。被甩出的质子、电子、α 粒子（氦核），以及发射的紫外线、X 射线等，我们称之为“太阳宇宙射线”。如果太阳出现耀斑的地点正好朝向地球，袭击地球的太阳宇宙射线会更强劲，“风”就变成了“风暴”。这是太阳带给我们的最常见的风险。

好在地球有地磁场这个“防护罩”，它会让太阳风改变路径，转弯绕过地球，到达地球南北极上空。当太阳风与稀薄大气中的氧、氮等气体的原子发生碰撞时，会发出绚丽的光，这就是极光（图3）。

如果没有地磁场的保护，大气中的分子和原子就会一点点地被太阳风中的粒子撞飞，地球可能早就没有大气层了。

如果耀斑爆发，太阳风暴带着各种电磁波来袭，地磁场将出现巨大扰动。这时，极光漫天飞舞，卫星出现故障，空间站和飞机内部受到的辐射量增加，远距离通信被迫中断，全球卫星定位及导航系统失灵……强烈变化的电磁波还可能在各种金属网络中产生强大的感应电流，让输电设备出现故障，导致停电。于是，所有利用电流工作的设备全都不能正常工作，银行歇业、商超关门、高铁停运、互联网中断……所以，一个现代化的城市必须有遭受太阳风暴袭击的危机管理预案。最近的一次耀斑大爆发，极有可能出现在2023 年到2025 年之间。目前，我们已经有能力对太阳爆发的全过程进行监测，预警能力正在不断提升。

另一个致命的风险，就是影片中提到的所谓“氦闪”。

据计算，太阳内部的氢可以烧100 亿年（目前已经烧了46 亿年）。当核心的氢烧完，全部变成 “氦灰”之后，太阳就变成了红巨星。外围的氢原子核开始聚变并導致太阳膨胀，内部的氦原子核难以发生聚变，在引力作用下继续向内坍缩，进入量子力学的“简并态”。外围氢原子核的燃烧让核心的氦灰不断累积，经过复杂的物理过程，氦灰密度不断增加，温度不断升高。当温度升高到1 亿℃以上，简并态物质会突然失控，发生爆炸，在几秒钟内释放出超高的能量，点燃氦灰，引发核聚变。这就是“氦闪”——简并态物质自然引发的爆炸，起到了“引燃”氦的作用。这种“引燃”会在一段时间内时不时地“闪”一下，直到核心的简并态消除，开始稳定地燃烧剩余的氦。

大家会从各种信息渠道看到对太阳“氦闪”的各种解释，主要是因为其中的过程太过复杂了，多是理论阐释，无法用实验直接研究。而且“氦闪”的能量大部分被太阳自身吸收，外界几乎看不出亮度的变化。到目前为止，人类还没有观测到过哪怕是一颗氦闪的恒星。当太阳核心的氦烧完，主要会变成碳；太阳在引力作用下坍缩，变成高密度的白矮星。

其实，在氦闪发生之前，由于太阳的膨胀，地球可能早已“熟透”或者“烤焦”，甚至“灰飞烟灭”了。

恒星质量若超过太阳的8 倍，就可以将核聚变继续推进，每次推进都会形成一些更重的元素，让恒星更膨胀一些，形成类似洋葱结构的多层核聚变空间。但元素越重，聚变产生的能量就越少，就越难以支撑恒星向内的巨大压力。当聚变到铁元素时，由于铁元素的结构极其稳定，聚变时将不产生能量，恒星将发生爆炸，这就是超新星爆发。爆发时产生的超大能量让各种核聚变迅速发生，宇宙中所有的元素都会被聚变出来。这就是自然界元素的由来。

大爆炸之初，宇宙中只有大量的氢元素和少量的氦元素，铁元素之前的所有元素都是经过恒星的原子“锅炉”聚变出来的，其他重元素则是“锅炉”爆炸的副产品。从这个角度看，金、银等确实都是“贵重”金属，它们是大恒星爆炸换来的。

目前，在我们的化学元素周期表中，除了天然元素，还有不少的人造元素（标有 “*” 记号）。人造元素的途径通常是用加速器或核反应堆等装置，让不同元素原子核相互撞击，合成新核；如果新核里面的质子数与以往发现的不同，一个新元素就诞生了。因此，元素制造的本质就是将氢元素在不同条件下以不同数目聚合。人造元素都是放射性元素，除了不稳定性和放射性，它们与相应的天然元素具有相同的化學和物理性质。

“烧石头”提供动力靠谱吗

影片中，行星发动机是靠燃烧石头来提供动力的，这靠谱吗？

这在理论上是可以的，准确地说，“燃烧”的应该是石头里的硅元素，利用硅原子核的聚变而释放出能量。当核聚变发生后，可以直接喷射等离子流来获取机械能，也可以先转化为电能，再转化为机械能。

全球的科技强国都在探索建设可控核聚变反应装置，即“人造太阳”项目。目前，100 万安培的等离子体电流、1.2 亿℃的等离子体高温、1 000 秒的连续运行时间，都已在我国的 “人造太阳”EAST（全超导托卡马克核聚变实验装置）上分别实现（图4）。

目前，全球使用的人工可控核聚变材料都是氢元素。而硅是14 号元素，要想发生核聚变，需要的条件更加苛刻，进行核聚变时需要投入的能量也更大，产生的能量却没多出多少，性价比还是比较低的。

影片中的“逐月”计划同样寄希望于引发月核聚变。但是，月表几千枚核弹爆炸产生的温度、压强、冲击波等，根本引发不了月核聚变。有人计算过，“逐月”计划所需的核武器至少是当前储量的10 亿倍。

地球能流浪到目的地吗

难。目前看来，大概率是到不了。

用行星发动机让地球减速、转向、加速推进，只是在理论上说说。能量之间可以转化，力的作用是相互的，力可以改变物体的运动状态……这都能说得通，但是如果真的这么操作了，将引发很多新的问题。比如，发动机启动会导致地球温度升高，南北极冰川融化，全球海平面上升，地球上将是一片汪洋。比如，地球自转停止了，海水由于惯性会从地表无情地冲刷而过，摧枯拉朽。比如，即使地壳停止了转动，由于惯性，地幔、地核还会自转，有可能引起地震频发、岩浆涌流、地磁变化……

如果月球发动机推力不平衡或者失控，很有可能“掉转枪口”，飞向地球。

如果月球被推开，地球的运行有可能是平衡的，也有可能是“头动尾巴摇”的。

地表5 000 米以下的城市，空气如何流通？资源如何循环？地下环境的复杂变化如何掌控？人们如何适应地下环境？如何防止心理问题？

地球经过其他行星时，一不小心就会落入洛希极限，大气层这件外衣很容易被“扯”走，地球还有可能会被撕碎或者“被俘”，导致“全军覆没”。而且，如何拒绝太空垃圾、小行星、彗星的“亲吻”也会是一件烦心事。

即使顺利离开太阳系，地球的生态系统、大气层也将不复存在，甚至连磁场也可能消失。地球将被宇宙中的各种高能射线轮番轰击，还可能被黑洞吞噬（图5）。

电影虽然有幻想色彩，但是带来的疑问非常现实——让地球去流浪真是一个好的想法吗？好在“氦闪”之前，人类还有50 多亿年的时间来做准备，也有足够的时间去思考生命的意义究竟是什么，以及面对未来，我们该如何选择。