經(jīng)歷了漫長(cháng)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，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(yōu)天的妄想，也不是科幻小說(shuō)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(guān)測到的漫天星辰所得到的嚴謹的科學(xué)結論。在未來(lái)某天，這件事確定會(huì )發(fā)生。

　　那么，我們是不是該準備跑路，準備“流浪地球”了?不，請先等等?，F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爭帶給遠東的人”。

　　從感情上講，這句話(huà)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(guò)了。但從科學(xué)上講，這句話(huà)存在些許的偏差。和廣島長(cháng)崎的原子彈一樣，太陽(yáng)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，既一個(gè)分子量較高的元素通過(guò)鏈式反應，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(xiàn)。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)在核反應后的總質(zhì)量均小于核反應之前，而損失的質(zhì)量則轉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的愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E=mc^2 來(lái)描述。

太陽(yáng)進(jìn)行核聚變的三步鏈式反應。

　　前不久，我們沉痛的送別了我國氫彈事業(yè)的開(kāi)創(chuàng )者于敏院士。氫彈利用了和太陽(yáng)相同的核聚變原理，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)間內持續穩定的向外輸出能量。

　　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。遺憾的是，雖然各個(gè)國家都已經(jīng)投入的大量的資源，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，并不能夠額外輸出能量，距離實(shí)用化尚有很長(cháng)一段距離。

　　托卡馬克又被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。圖為中科院部署在合肥的先進(jìn)實(shí)驗超導托卡馬克(EAST)。圖片來(lái)源：中科院等離子體物理所科普園地

　　而太陽(yáng)，則已經(jīng)穩定的進(jìn)行了約 46 億年的可控核反應，持續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相匹敵。但量變會(huì )引起質(zhì)變，聚合成質(zhì)量相當于 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。事實(shí)上，可以說(shuō)是重力與核反應之間的相互作用主宰了太陽(yáng)的生命印記。

美麗的獵戶(hù)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，密度和壓強不斷增大。人類(lèi)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)機一樣使核聚變開(kāi)始，是一件相當困難的事情。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，橫亙在核聚變發(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原子彈所產(chǎn)生的溫度和壓強。對于托卡馬克，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)本身的壓強產(chǎn)生的向外膨脹的力，不足以抵御驅動(dòng)物質(zhì)向內收縮的重力，星云中物質(zhì)一邊聚集一邊向內收縮的過(guò)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(jìn)而觸發(fā)了核聚變反應開(kāi)始。同時(shí)，恒星中聚集的質(zhì)量又決定了核反應的速率。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，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(yáng)已經(jīng)是一顆成熟的恒星后，核反應的速率與恒星物質(zhì)的重力達到了一種簡(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。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果太陽(yáng)向中間收縮，將會(huì )使核反應加速，產(chǎn)生更大的向外膨脹的力，收縮過(guò)程同樣無(wú)法持續?？傊?，一旦步入壯年，太陽(yáng)想向外擴張時(shí)后勁不足，想向里收縮時(shí)又會(huì )受到很大的抵觸，因此只能穩定在一個(gè)相對固定的個(gè)頭上。

使恒星向內坍縮的重力與使恒星向外膨脹的核聚變反應在主序恒星階段達到平衡。

　　這種精巧的平衡并非我們太陽(yáng)的專(zhuān)利，而是放之宇宙而皆準的一個(gè)基本原理?？茖W(xué)家們通過(guò)長(cháng)期的觀(guān)測積累后，發(fā)現處于壯年的恒星幾乎都處在這樣一種穩定的狀態(tài)中?？茖W(xué)家們把處于這些狀態(tài)的恒星稱(chēng)之為“主序恒星”。對于這些恒星來(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)下的核反應速率要高于質(zhì)量較小的恒星。

　　Part.3

　　太陽(yáng)的終結與地球的流浪

　　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(cháng)地久，總有終結的一天。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(lèi)就得想辦法趕緊開(kāi)始上路，成為流浪地球了。因為太陽(yáng)這個(gè)天空中的大爐子，隨著(zhù)時(shí)間的增長(cháng)會(huì )越燒越旺。當煤爐中的煤燃盡時(shí)，我們會(huì )想辦法將灰燼請出再加入新煤保持爐火繼續燃燒。然而，對于太陽(yáng)這樣的恒星，沒(méi)有外部的力量為它完成這個(gè)過(guò)程。

　　核反應消耗氫、形成氦，而產(chǎn)生的氦就堆積在恒星內部。由于氦的分子數要大于氫，因此恒星內部的密度將會(huì )隨著(zhù)恒星年齡的增加而增大，內部核反應的速率也會(huì )逐漸增加。研究計算表明，目前太陽(yáng)的核反應速率大概比太陽(yáng)剛成為主序恒星時(shí)大 30%，而在 55 億年后(這個(gè)數字具體多大不同學(xué)者可能會(huì )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(yáng)核反應速率使得當時(shí)太陽(yáng)輻射出的能量約已經(jīng)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(guò) 3 百多攝氏度，海洋和湖泊中的液態(tài)水早已被汽化。

　　以我們現在的認識(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(lèi)在內的生物體都是無(wú)法生存的。除非當時(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(lèi)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)中心區的氫燃燒殆盡，停止了氫聚變成氦的熱核反應，變成了一個(gè)氦核。由于沒(méi)有的核反應對抗重力，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。距離核心較遠的一些殘存的氫在核心釋放的高溫作用下被點(diǎn)燃，驅動(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)現在的大小。

　　2. 脈動(dòng)變星

　　接著(zhù)，太陽(yáng)進(jìn)入了“內外兩開(kāi)花”的狀態(tài)。除了外部的氫殼繼續發(fā)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(diǎn)燃”，發(fā)生了由氦劇變成碳的核反應。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。在數分鐘的時(shí)間內，相當于太陽(yáng)質(zhì)量 40% 的氦被劇烈的“燃燒”成碳，釋放的能量大致相當于太陽(yáng)在當前狀態(tài)下持續數百萬(wàn)年所釋放的能量。

　　這種現象被科學(xué)家們稱(chēng)之為“氦閃”。之后，太陽(yáng)在繼續燃燒氦的同時(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(chēng)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，數量約有 200 萬(wàn)個(gè))

正在發(fā)生氦閃現象的一顆白矮星。

　　當氦也再次燃盡時(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

　　那么地球的命運會(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)者認為，由于太陽(yáng)釋放的能量都是質(zhì)量轉化來(lái)的，由于太陽(yáng)總質(zhì)量會(huì )隨著(zhù)核反應的進(jìn)行而減少，地球受到的引力會(huì )相應的減小，地球會(huì )自發(fā)的向遠離太陽(yáng)的方向運動(dòng)。然而，2008 年發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì )月刊》(MNRAS)的一項研究卻發(fā)現潮汐力會(huì )遲滯地球遠離太陽(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算和計算機模擬外，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)和電影能夠以相對正確與真實(shí)的背景展開(kāi)已經(jīng)是相當可貴了，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》也許能讓我們再次發(fā)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(yáng)周?chē)囊司訋Ю?，可以允許液態(tài)水穩定存在孕育生命。

　　較強的地磁場(chǎng)屏蔽了太陽(yáng)高能粒子的侵襲，保護了大氣層不被太陽(yáng)風(fēng)吹走。太陽(yáng)不會(huì )爆發(fā)過(guò)于強大的耀斑，否則地球將持續處于強X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)的轟擊之中。大氣層的密度和成分能夠有效的調節溫度，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(lèi)。

　　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(shí)，卻始終沒(méi)有一個(gè)確定性的發(fā)現。如果現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 號宇航員在繞月軌道上拍攝的地球圖像。人類(lèi)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(xiàn)上升起。

　　好在太陽(yáng)生命的終結發(fā)生在幾十億年之后，而現在的我們則可以好好珍惜我們的家園，不讓?xiě)馉?、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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