今年春節檔，《流浪地球 2》回來了，動人心魄的故事情節、酷炫的特效、硬核的科技範兒讓無數影迷大喊過瘾。
那麼，電影之外，整個流浪地球的宏大背景和其中的科幻設定，讓人充滿好奇，太陽氦閃有多可怕？地球真的有必要流浪嗎？小說和電影中的講述真的科學嗎？宇宙學家怎麼看？
2023 年 1 月，混沌文理院第四期第五模塊 " 物理與宇宙 " 在古城長沙開課。中國科學院國家天文台研究員陳學雷老師在 " 文理夜話 " 中為同學們解析了今年春節檔最火爆的電影之一：《流浪地球》。
陳老師的解析分為以下五個部分：
1. 太陽會老化嗎？
2. 地球是否有必要流浪？将去向何方？
3. 流浪地球真能實現嗎？
4. 木星、潮汐、洛希極限
5. 真實世界的行星遷移和流浪行星
本文選取了課程中前兩個小節的小部分内容，回答 " 太陽會老化嗎 " 和 " 地球是否真有必要去流浪以及去往何方 " 兩個最為核心的問題。
混沌文理院為混沌旗下文理教育品牌，今年已經第五年。我們緻力于邀請國内著名的教授、學者，為學員提供涵蓋哲學與世界、生物與宇宙、藝術與美學、認知與系統、政治與法律、思想與文化等闆塊的專業文理教育。文理院五期正在招生。
以下為陳老師的分享。
首先我簡單總結一下小說的内容，不涉及裡邊的具體情節，主要講其中的科幻設定。
在小說裡提到就是太陽迅速衰老，即将發生氦閃變成紅巨星吞噬地球，人類為了應對這種情況，需要把地球裝上發動機，決定飛往離地球最近的恒星比鄰星。由于地球發動機改變了地球轉動狀态，海嘯橫掃整個地球表面，按照劉慈欣的說法，地球上已經有 2/3 的人在海嘯當中死去，同時遠離太陽和地球停止自轉導緻地球大部分區域極度寒冷，人類轉入地下生活。
在地球加速、逃逸中，經曆極寒、極暑、穿越小行星帶等危機，人類的生活、習俗、心理發生巨大變化。小說的主要情節就是關于經過這些變化以後，人類社會是怎樣運行的。
之後大家發現太陽一直沒爆炸，也沒有變成紅巨星，太陽好像粗看起來跟原來是基本上是一樣，由于太陽變化不明顯，人們開始廣泛懷疑太陽氦閃理論，發動暴動，推翻政府，處死了科學家，決定推動地球返航。就在此時，氦閃發生，小說到此結束。
電影把大的前提和背景保留下來了，但是故事情節和小說裡的完全不一樣，人物也完全不同。
在《流浪地球 1》裡，地球已經駛上了航程，在飛行過程中部分發動機失靈，地球即将撞上木星，電影裡的幾個主人公穿越冰凍的地球表面，前往修複地球發動機，發動機雖然修複，由于推力不夠，尚不足以推動地球擺脫木星引力，此時大量地球上的氧氣被吸入富含氫氣的木星，在沒有任何辦法的情況下，空間站上的航天員犧牲自己，引爆木星，爆炸驅動地球飛離木星，這是電影第一部所講述的故事。
下面轉入科學部分的介紹，關于剛才提到的幾個科學問題。可以對比小說的設定，看看真實的世界裡是什麼樣子。
流浪地球大背景，到底什麼是太陽氦閃？
太陽會不會老化？畢竟生活在太陽下，這是對人類來說一個至關重要的事情。首先看看太陽的整體結構。
1. 什麼是太陽？
太陽提供了地球上的大量能量，太陽的半徑大概是 70 萬公裡，是地球的 1109 倍，質量差不多是 2 乘 10 的 30 次方千克，是地球的 33 萬倍。平均密度 1.4 克每立方厘米，比水稍微重一些，水是 1 克每立方厘米。光度是 3.854 乘 10 的 26 次方瓦這樣一個量級，表面的重力是地球的 28 倍。比較重要的是表面溫度，太陽的表面溫度是 5880K ，K 是一個溫度的單位叫開爾文，與攝氏度類似，簡單的理解，攝氏度加上 273 就等于開爾文。其中心的溫度是 1500 萬 K ，所以太陽表面較涼 ，裡面非常熱。關于成分，太陽裡面大部分是氫和氦，其他占比大概 2% 左右，這是太陽。
下面這張圖顯示了太陽的整體結構，用肉眼可以看到一個球，叫光球層，如果用攝影機拍攝，會看到外環一層紅色，叫色球層，我們能看到的就是光球層和色球層。
另外有時候太陽表面有所謂的黑子，噴出來這種環狀的叫日珥，太陽會爆發産生耀斑，在周圍顯成形成日冕等等。這些日冕就是周圍像氣體一樣的包，在日食出現時可以看到，太陽裡面的情況無法直接看到。
太陽中心的地方有一個球叫做核，發生核反應産生能量。在核之外有一圈叫做輻射層，這裡面基本上沒有對流，完全是靠輻射傳熱，再外面有一層叫對流層。
理論上推算是這樣，那麼我們怎麼知道這個理論是不是正确的呢？雖然不能直接看到太陽内部，但也有一些觀測檢驗。經過一些比較，比如看到太陽表面有震動，叫日震學，這些震動可以反映太陽内部的結構；另外太陽中心核反應釋放的中微子可以被探測到等，通過這些理論和實驗的比較，人類對太陽的結構有較大把握。
2. 恒星演化
接下來講到赫羅圖 （Hertzsprung-Russell diagram），這兩個是天文學家的名字，赫羅圖是隻有在天文課裡才會講的一個内容。赫羅圖乍看起來很複雜，實際上了解它的結構後并不難懂。
我們首先要理解它的軸，有橫軸和縱軸。圖底部的橫軸和圖上部的橫軸是不同的，左邊的縱軸和右邊的縱軸也是不同的，那這些軸是什麼意思呢？底部橫軸标注了幾個字母，OBAFGKM，這是恒星的類型。天文學家早期觀測到了一些恒星以後，根據它們的性質進行分類，第一個看到叫 A 型，第二個看到叫 B 型，依次類推，出來字母順序，後來研究發現這些類型有一定的規律，但并不是按 ABC 這樣的字母次序排列，而應該是按照次序 OBAFGKM 排列。為了記住這一堆字母，大家編了一個口号 ，叫做 Oh Be A Fine Girl，Kiss Me，有助于記憶。其實，這個次序反映了恒星質量由大到小。
上邊的橫軸可以看到寫的 20000、10000、6000、3000，這是恒星的表面溫度，太陽表面大概接近 6000K，不同的恒星表面的溫度不同，與我們一般習慣的從左向右遞增不同，這條橫軸是從右向左增加的。
左邊的橫軸标注的是絕對星等。星等是天文學家用來标志恒星亮度的東西，古時候古希臘的天文學家記錄星星亮或者暗，完全是靠肉眼，把最亮的星叫一等星，最暗的星叫五等星，以此類推。現在的測量基本上保持跟古希臘人一緻，形成了星等，所以會發現，也正好是反着，越往上是越負的數，越往下是越正的數，往上代表星更亮一些，往下代表星更暗一些。絕對星等是假定所有星都在同樣距離時看到的星等，這樣排除了距離因素，反映了恒星本身的光度。
右邊的縱軸比較容易理解，拿普通的光學流量單位來表示恒星光度。
這張圖是如何形成的？在天空中看到這一顆星，把它的表面溫度測出來，絕對星等或者說光度測出來，就點在這張圖上。上圖是個簡化版本，圖裡給人的感覺好像是各個溫度的星的數量都差不多。實際上并不是這樣，如果實際測量的話，分布在右下角的星（也就是質量小的星）非常多，左上角的星（質量大的星）比較少，但是如果畫得太多了，密密麻麻一團看不清楚，所以在恒星太多的地方基本上就隻抽選了一些，最後畫出來成為上圖。
畫完後會發現很有規律，首先沿着對角線方向，有長長的一條。在這個長條之外，左下角有一堆 星，然後右上角有兩堆 。
所以，天文學家一開始并不知道其中的原因，但是根據現象做了一個研究，這一堆長長的沿着對角線這一條，好像是一個序列，叫主序星。主序星按今天的理論去理解，就是核燃料充足正在正常進行核燃燒的恒星。還有巨星和超巨星，一開始大家把更亮的這些星叫巨星，後來又發現了一些更加亮的，叫超巨星，主序星的數量遠遠多于這兩種。
主序星壽命結束的時候，就會轉化成巨星和超巨星，這兩者的數量就比主序星要少很多，這是因為主序星的壽命或者說是持續的時間比較長，巨星的壽命比較短，所以一眼望去，主序星很多而巨星不太多。
星星比人類要幸運，人到年紀大了就去世了，星星死亡後沒有徹底消失，在赫羅圖上看就是從巨星會跑到下方形成那一堆特别暗星，這些特别暗的星叫白矮星。暗的這些星的溫度也很高，暗的原因是由于星變小，這些星雖然溫度表面溫度很高，也在發光，但是由于面積很小，所以較暗。
這一頁上面還有一張圖，熱輻射的溫度和顔色有關，溫度越低的越紅，溫度越高越藍，這與日常有點不同，日常我們把紅色叫暖色，藍色叫冷色。看這些星的顔色不一樣，有的是紅色，溫度比較高的就變成藍色，太陽大概是黃色，在 G 型星這個位置上，這是天文學裡跟我們今天要說的有關的一些核心内容 。
有了這幾個工具以後，來理解太陽的衰老問題。
3. 紅巨星和氦閃
首先，太陽在不斷釋放能量，大約是 3.8 乘 10 的 26 次方瓦。其中向各個方向都有，地球收到的隻是其中一小部分，大概 10 的 17 次方瓦左右，而當前人類用的能量大概是 10 的 13 次方瓦。
太陽的能量來源是 4 個氫原子核成聚變成一個氦原子核。氫原子核實際上就是一個質子，氦原子核裡有兩個質子、兩個中子，這個反應釋放能量。上圖展示了過程，兩個氫核首先聚變形成一種物質，同時釋放一些光子和中微子，形成的東西是 ² H 叫氘，是氫的一種同位素。兩個氘核再反應，形成的核叫做氦 -3 ，同時再釋放出一個中子。同樣另一邊也形成一個氦 -3，兩個氦 -3 再反應産生一個氦 -4 再加上兩個質子，，這樣就形成了一系列反應鍊。這種反應鍊叫 PP 鍊，與此同時還有其它不同的反應鍊也可以導緻氦 -4 的合成。總之，通過這樣一系列反應，在每個反應當中都會釋放一些能量，提供最後的能量總和。
在這裡有個問題，任何東西最後都會耗光，核聚變确實可以釋放很大的能量，但氫核也是有限的，持續進行一段時間後就耗光了。核聚變需要很高的溫度才能進行，太陽中心的溫度最高，所以核聚變一開始隻在中心的一個小層，就是剛才說的太陽的核心裡頭。它産生的能量則以輻射的形式向外傳播。
太陽裡有很多物質，所以光子不會一下子傳出來，撞到外面的物質後，把外面的物質加熱，然後這些物質再進一步往外輻射，這樣一步一步往外出。同時光也有壓強，這部分壓強很重要，恒星内所有的東西都有一個壓力和重力平衡的問題，靠裡面的地方壓強比較大，來抵抗萬有引力導緻的物質往裡落的趨勢，所以高壓也非常重要。由于聚變隻有在溫度高的地方才能進行，所以隻在太陽中心的一小塊地方有這種核反應。
經過一段時間後，太陽從形成到最後經過 120 億年核心裡的氫最終耗盡。這個 120 億年是計算出來的，不同質量的恒星，或者不同成分的恒星，都可以用不同的模型去計算。
最後的中心，核反應都聚完了以後隻剩下灰燼，這個灰燼就是氦核，那時候核反應就結束了，就像一個爐子，裡面的煤燒完了，爐子就冷了。聚變結束時核心變冷，輻射壓降低，這時它在周圍物質引力作用下就會往中心凝聚收縮。經過一段時間收縮，中心溫度和壓強升高，周圍的溫度和壓強也相應上升，這樣在圍繞着氦核中心的圈球殼裡，雖然原來不發生聚變反應，但現在也可以發生氫的聚變了。
這一殼層發生核聚變後，會導緻産生的能量反而比一開始中心的一小塊更多，産生的能量釋放出來後，它外面這一圈外殼，它是一個不透明的東西，所以釋放的能量并不能一下子出去，大量的能量就進入外邊的外殼，驅動它不斷向外膨脹。膨脹後會變得非常大，但由于往外膨脹變得很稀薄，所以最後溫度反而降低了。溫度降低後，它的輻射變成了紅色，叫做紅巨星，也就是赫羅圖上位于主序星上方的那部分星。
那麼這個外殼會膨脹到多大 ？外殼最後可以膨脹到一到兩億公裡，前面提到現在太陽半徑隻有 70 萬公裡，所以一下子脹大了 100 多倍，地球離太陽是 1.5 億公裡，如果膨脹 1-2 億公裡，就可以把地球直接吞進去。可以想象無論是地球還是比地球更接近太陽的金星、水星，最後都會被它吞噬。一旦吞到裡面以後會發生什麼？因為地球在太陽裡還在轉，但是太陽裡有氣體會産生阻力，地球的能量逐漸喪失，就會越來越往下掉，最後掉到太陽中心。
所以說《流浪地球》所擔心的事情非常可怕。
這會發生在什麼時候？可能為了故事需要，小說裡修改了科學規律。因為目前的預測，太陽整個燃燒要持續 120 億年，根據現在太陽系裡的一些隕石，或者月球年齡的測量，發現太陽系應該存在了大約 46 億年，可以推測它應該還有 70 多億年的時長。所以，我們并不用太擔心太陽變老的問題，如果拿一個白天做比喻，太陽現在還沒到中午，基本上相當于比較晚的上午，我們茶歇的時間。所以說太陽最終會老化，但并不是現在。
太陽在變成紅巨星以後會，還可以發生進一步的核反應。宇宙當中絕大多數物質就是氫和氦。那麼氫全部燃燒後，隻要溫度足夠高，氦還可以繼續發生聚變，形成更重的元素，比如碳。
這個過程不是一開始就進行的，需要一段時間。
氫在中心氦核周圍的這一殼層裡反應，把燃料也燒光了，變成了氦，氦越聚越多，但是氫聚變停止後壓強又減小了，于是又會收縮下壓，導緻太陽中心的溫度變得越來越高，高到一定程度後達到氦的核聚變燃點，氦就燒起來了。
這就好像一種很難燒的燃料平時很難點燃，突然有一個很高的溫度去點它，就着起來了。這個氦突然發生的核聚變反應就叫做氦閃。氦閃時中心會一下子釋放大量的能量，但是這些能量并不是一下就可以看到，因為其外面還是有一層不透明的外殼，大量的能量轉化成驅動外殼進一步往外膨脹，膨脹得更大，這就是所謂氦閃 。由于這個過程比較複雜，而氦閃又是一個很短時間的過程，現在人們還不完全确定氦閃時從外面到底會看到哪些現象。
在《流浪地球》裡也提到了氦閃，在這個科幻裡的科學家認為幾百年後太陽要發生氦閃，所以要驅動地球跑掉，實際上劉慈欣可能對相關内容的理解有誤，他把太陽變成紅巨星和氦閃當成同一件事情，其實并不完全是這樣，先有紅巨星，然後經過一段時間後形成氦閃，實際上是兩個事情。
地球是否有必要去流浪，将去向何方？
按照這樣的設定，就帶來這樣一個問題，是否有必要去流浪，流浪到哪兒去？其實按照剛才的分析并不太需要流浪到太陽系之外。現在地球在太陽系内所處的位置叫做宜居區，宜居區是指它離太陽既不太遠，也不太近，太近的話太熱了，水會變成水蒸氣，太遠的話太冷，水會變成固态，形成冰，生命需要液态水，所以說對太陽系來說，地球、火星所在區域叫做宜居區，這裡的行星溫度處在液态水可以存在的範圍内。
宜居區的位置取決于太陽的輻射有多亮。在太陽變成紅巨星後，原來的位置不适宜，但隻要離得遠一些，還是有宜居區。隻要把地球移動到木星跟土星之間的位置，這一片區域仍然是宜居區，所以說并不需要跑那麼老遠，紅巨星的時間依然可以持續大概一億年，足夠繁衍很長時間。
但故事中說要移到另外一個地方去，選定的地方叫比鄰星，比鄰星實際上是所有恒星當中離地球最近的一個。下面圖中左邊顯示了銀河系，其中心一片是銀河系的核球，而太陽在外面的銀盤裡，這一條一條的是銀河系的旋臂。中間的小圖顯示了太陽系的鄰居，其中中心是太陽，周圍有很多恒星，這裡面有一些是我們平時比較熟悉的恒星。圖内也顯示了比鄰星，包括比鄰星所在的系統叫做半人馬座 α 星，半人馬座 α 比比鄰星稍微遠一點。
比鄰星跟太陽比較相似，比太陽質量稍微小一點，比較暗，在地球上肉眼看不見。但半人馬座 α 本身很亮，是一顆南天的亮星，到南半球可以看到著名的南十字，像澳大利亞和新西蘭，國旗上都畫有南十字，在南十字下方很容易找到半人馬座 α。
比鄰星還有整個半人馬座 α，是離地球最近的系統，所以經常出現在科幻片裡，不僅僅《流浪地球》裡是這樣，《三體》裡的三體星系就是半人馬座 α。在《三體》裡，三體人也就是半人馬座 α 的人，跑到地球來侵略，而在《流浪地球》裡是跑到半人馬座 α 去。
不僅限于它，《變形金剛》《阿凡達》的基地也在比鄰星。
這裡有個問題，電影裡說流浪地球要經過木星，可問題是去比鄰星似乎并不經過木星 ，為什麼這麼說？木星在太陽系内沿着一條軌道移動，位置不固定，但木星軌道和地球軌道一樣，都在同一平面上，這個平面叫黃道面，就是星圖上綠的這條線。這張圖上可以看到，藍藍的是銀河的方向，比鄰星也在銀河裡，大概的位置離綠線有一段距離，并不經過那裡，所以這裡會問，為什麼去半人馬座 α 要先經過木星，好像不在一個方向上，而應該是駛離黃道面。但其實，這裡的情況比較複雜。
我們下面在讨論 " 流浪地球是否真能實現 " 時會看到，由于流浪地球的推力有限，它并不是一下直接飛向半人馬座，而是逐漸加速，并試圖利用木星的引力彈弓效應改變方向。
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