主题：【原创】论流浪地球中月球和木星的正确打开方式 -- diamond

《流浪地球》是一部想象力令人称奇的伟大作品，创造性地提出了将地球作为星际旅行的载体，不同于宙飞船方案，这是真正的站在了宇宙的视角思考问题，而不是像传统的科幻作品那样，简单地把宇宙看做地球的线性放大，把星际旅行当成航海的同类事物，把星系文明想作国际关系，来来回回无非是帝国和属地、殖民者和原住民那一套东西，著名如《基地》和《沙丘》，从《星球大战》到《阿凡达》，都脱不出这个窠臼。

一部科幻作品，想象力无疑是第一位的，其基本出发点可以是天马行空的设定，比如行星发动机，完全超出人类现有的科技水平。然后，接下来的剧情推演还是得遵守基本的科学原理。在这一方面，《流浪地球》就不免有些差强人意了，虽然原理基本上都没有什么问题，但具体的数字在量级上差得有些大，特别是电影版，点燃木星产生的冲击远远不足以对地球产生有意义的推动作用。因为在宇宙尺度上，哪怕渺小如地球，星球的动能是极为巨大，万有引力是统治一切的力量，核能比电磁能高几个数量级，燃烧的本质是电磁能转化为分子动能，参与燃烧的那一点点气体质量和速度和地球都根本没有可比性，质量自然不用多说，比较速度的话，地球的公转轨道速度是30km/s，而火药爆炸的冲击波速度是3km/s左右。退一万步说，如果这个冲击真的有用，地球也就没法保持完整了。

所以，如果说有一天太阳真的快要爆炸了，为了延续人类文明，哪怕发明了行星发动机，我们也得仔细制定流浪方案，宇宙中危机重重，必须步步小心。

出门之前先看地图，流浪之前让我们先看看周围宇宙环境，也就是太阳系是个什么样子的。太阳系大家庭的构成是：太阳居中，四个类地行星在里，以小行星带作为分割，另外四个气态大行星在外，一家人整整齐齐。说句题外话，冥王星之所以被开除出行星行列，一个可能的原因在于天文学家都有强迫症。

至于各位家人的体重和尺寸，那可就相差悬殊了。太阳占据全部质量的99.86%，木星占0.1%，土星占0.03%，其余0.01%，在这0.01%里，天王星和海王星又占去94%多，我们的地球不幸再次被统计进其余，不过好歹总算拿到3%，比剩下的金星、火星、水星、冥王星、小行星们加起来还多。这对人类而言是种幸运，否则地球上就只会进化出水生物种了。

然后再看各星身边，我们地球就十分幸运了，拥有一颗大得离谱的卫星——月球，直径是地球的1/4，质量达到地球的1.2%，和2008北京奥运会一样，属于“exceptional”级别的。不怕不识货，就怕货比货。和地球同类的行星，金星和水星根本没有卫星，火星倒是有两颗，都小得可怜，质量只有火星的十亿分之一量级。话说这二位都瘦脱形了，长得和土豆似的，看人家但凡有些质量的天体，那个不是圆圆润润的，如果参照冥王星的前例，这种东西就应该开除出卫星队伍，不然土星岂不是可以炫耀自己卫星成群，天王星也有话可说了。

说到气态大行星，无论以什么标准，它们的卫星都不少，数量上去了，但质量呢？木星拥有太阳系中最大的卫星——木卫三，质量是月球的两倍，但和木星自己比只有0.008%，其他三颗的情况也差不多，都在万分之一的水平。所以我们身边有这么大的卫星，是一种巨大的幸运。月球不但在过去的岁月里稳定地轴、抵挡流星，保证了生命的存在和文明的诞生，而且在未来的流浪地球中也能发挥不可替代的作用，绝不能像《流浪地球》中那样一抛了之，甚至干脆炸掉。

最后，让我们看看脚下的地球。我们的地球并非一个完整坚固的球体，“坚实的大地”仅仅是日常生活的体验，在宇宙尺度观察，我们的地球其实是一颗皮薄馅大的熔岩馅儿汤包，球体半径6400千米，但地壳平均只有17千米厚，相当于苹果肉和苹果皮的比例，还是个虫蛀过的，个别地方甚至干脆就是漏的。何况这层皮并非是铁板一块，大尺度上分成几个板块在熔岩球表面漂移和碰撞，引发各种地质灾难，小尺度看是也是一块块的碎石乃至砂砾拼凑而成的。地球内部的地幔是一团熔岩，不停活动的那种，地心是超长周期核裂变元素形成的热源，烧得岩浆在整个地球内部上下翻腾。所以从宇宙角度看，地球就好比一团晃晃悠悠的熔岩球，中心的火灶不停烧着，表面飘着一层散沙般的小石头，凹坑里面还盛满了水，我们就住在上面，恐怖如斯。有观点认为3.6亿年前的第二次生命大灭绝就是熔岩活动的异常变化而引发的，史称超级地幔柱事件，绝大部分原始物种都没能挺过来。

所以，针对地球的任何动作都必须轻微和缓慢，否则一个不小心就是皮破汤流的下场。《流浪地球》中的行星发动机方案在地球上是不可行的。足以推动地球变轨的力量作用在地壳的一个点上，这和拿锥子扎汤包没有区别，哪怕分散成一万个也不行。用地基分散压力也行不通，就算用黑科技材料，就算覆盖整个地球表面，也还是不行。因为地球内部不但是流体，而且密度分布不均匀。地壳的密度大约是2.8，地幔密度基本等于地球的5.5，地核都是重元素，密度估计应该在10以上。加速度作用之下，熔岩遭受挤压，流向改变、地核错位，由此会引发的地热和重力再分布，都是不折不扣的灭世级地质灾难，地核撞击地壳也说不定。何况真有如此材料的话，不如造飞船当逃亡派。

基于同样的理由，停止地球自转也是不可行的。转向发动机只能消除地壳的自转，里面的岩浆球还是转的，引发海啸都算是轻的，熔岩带动板块移动和碰撞，会造成火山大喷发和剧烈地震，地下城也无法幸免。那把地核也想办法停转行不行呢？答案仍然是否定的。地核的旋转是地球磁场的来源，一旦失去磁场的保护，带电的宇宙射线就会长驱直入，把地球表面彻底消毒。还有，自转的离心力使得地球不是完美球形的，而是赤道方向稍胖的扁球，自转消失的话，表面变回球形，这恐怕也是一场滔天巨灾。

行星发动机的另外一个问题是发热。用中学物理计算，物体的动能是1/2mV^2，代入地球的质量6E24kg，以及《流浪地球》设定的终极速度千分之五光速，也就是1500km/s，只计算地球的动能增量，除以加速时间500年，可知行星发动机的总有效功率是4.3E26W，平均每台4.3E21W。这个数值是什么概念呢，太阳的总输出功率是3.8E26W，还不如行星发动机高。而太阳照射到地球的总功率是1.7E17W，只有行星发动机的25亿分之一。考虑到以目前人类的物理学认识，没有任何机器的效率可以做到100%，所以行星发动机哪怕只有1亿分之一的能量变成废热散布到地球上，也将等价于25个太阳的烘烤效果，比后羿的时候可厉害多了。届时地球将不会是冰封世界，而是蒸汽天空下的熔岩地狱。再者说，如果有这样的发动机，何必流浪那么远找新太阳，随便哪里都可以安家，留一台自己照亮自己就够了，还不用全天开的那种。

行星发动机和飞机火箭一样，也是采用喷射推进的方式，这就需要抛射一定质量的物体，即工质，才能获得推力。如果说行星发动机的能量来源是重核聚变，也就是烧石头，那它的推进方式就是扔石头。这也是一个大问题。仍然是中学物理之动量守恒：地球如果想获得千分之五光速的速度，就必须以同样的速度反向喷出等于地球质量的工质，或者以十倍的速度喷出十分之一质量的工质，以此类推。喷射速度越高，越省工质，二者成反比。但高喷速更费能量，因为工质的动能正比于喷射速度的平方。于是问题就来了，到哪儿去找另一个地球，或者十分之一个地球呢？从地球表面挖是不可能够的。前面提到过，地壳是很薄的，把平均厚度、密度和地球的表面积5.1亿km^2相乘，可以得出地壳的质量是2.4E22kg，相当于地球质量的千分之四，皮薄馅大果然名不虚传。就这？即便不考虑广义相对论效应，也无视此时近乎0的能量效率，把它们全部以光速扔出去，也不足以把地球加速到千分之五光速，更不用提还有减速了。

这么说地球就没有办法逃离太阳氦闪了吗？天无绝人之路，行星发动机在手，地球的活路还是有的，关键就在于月球和木星，要用正确的方式打开它们。具体办法是：月球作工质兼牵引器，木星作掩体，行星发动机作人造太阳，维持地球生态不变，到木日第二拉格朗日点渡劫。这才是流浪地球的正确姿势。

先说工质问题。老天爷赏饭，辣么大的一颗月亮，质量是地球的1.2%，整个地壳的足足3倍，怎么舍得扔掉哦，作行星发动机的推进工质，它不香吗？俗话说，穷家富路。出门在外，宇宙航行什么最宝贵？质量！无论是烧石头，还是扔石头，都得有石头。与其挖脚下的，何不摘天上的。既然行星发动机已经造在月亮上了，烧月亮、扔月亮岂不胜过烧地球、扔地球，不用拆迁、不怕抗议，而且量大管饱，还不用担心发动机的尾流带走大气层。

和地球相比，在月球开动行星发动机的一个巨大优势在于，它的内部已经冷却凝固。引力潮汐的锁定作用使月球相对于地球的自转周期等于公转周期，一面始终面向地球，深色的玄武岩和浅色的长白石形成的样貌既没有摆动，也没有变化，陨石砸出大大小小的环形山不会消失，因为月球已经几十亿年没有过地质活动了。一句话，凉透了。所以在月球是开行星发动机，不用担心熔岩和板块问题，当然，基座还是必须的，推力也不能太大。毕竟月球本质上还是靠引力聚集的一团散沙，推进加速度应远远小于其自身的重力加速度，以免散架。

说了半天月球，那地球怎么才能动起来呢？利用月地引力。《流浪地球》中把月球对地球的引力当做一种干扰因素，在流浪地球之前先抛弃了月球，其实大可不必。月球环绕地球作圆周运动，引力等于向心力，二者实际上是在绕公共质心转动。如果行星发动机直接推动地球，不拿掉月球的话，实际运动的是地月联合系统，月球质量又够大，地球的中心和系统质心不重合，发动机合力指向系统质心的话，对地球是偏心的，地球受力不匀将会是一场灾难。如果合力指向地球中心，就会偏离地月的联合质心，由此形成的运动轨迹会比较复杂，也不是绝对不可以，就是操纵比较麻烦，所以原著中索性扔掉了月球。

其实月球还存在另外的打开方式。我们不妨换一种思路，地球上不采取任何动作，保持自转不变，而是用行星发动机消除月球的自转和公转，同时保持其高度不变，并且让月球处于地球公转轨道的前进方向上，行星发动机朝向地球喷射，但不是直接对准，而是各自稍微偏开，以免吹散大气层，通过对称设计让所有发动机的合力方向平行于地心和月心连线，大小等于月地引力，维持二者相对静止的状态。流浪地球，事就这样成了。

对地球而言，身上没有一台行星发动机，自转不变，相当于在月球的重力场中自由下落，加速度就是地球的前进加速度，方向和公转方向相同。随着地球速度的不断增加，轨道上升，逐渐远离太阳，实现流浪。这种情况下，月球的万有引力无处不在，均匀作用在每一块地球物质上，不论地壳还是地幔，抑或是地核，都具有相同的加速度，同步前进，彼此协调，各安其位，完全没有行星发动机直接推进所引起的种种问题。如果说有什么不同的话，那就是依距离月球的远近不同，引力加速度的大小和方向有细微的差异，这就是潮汐力，原本就存在的。由于月球轨道高度不变，潮汐力也不变，不同之处是周期略微缩短，以及和太阳合成的大潮消失。从地球历史来看，月球的运行周期本来就是变化的。月球对地球的引力引发潮汐，潮汐力的反作用力使月球加速，轨道升高，周期加长。古生物化石可以证明这一点，远古的一个月比现在的短得多，相应的潮汐力也大于当代的，所以这一点改变还不至于对生态圈造成太大影响。

总之，这种方案的最大好处就是保持地球生态环境不变，没有海啸，不用抽签进地下城，一天还是24小时，太阳每天照常升起（这里需要一点额外的技术工作，后面会谈到）。于是乎，马照跑，舞照跳，数字生命派住进量子计算机，飞船派想润就自己飞，没人举牌子“还我太阳”，和谐社会啊。

没有人的文明，固然毫无意义，而失去生态圈的地球，人类文明也无法独自存活。无论是《流浪地球》中的冰封地球，还是前面提到的熔岩地狱，一个动物和植物全部灭绝的地球，不可能是人类的家园。就算找到新的太阳，湖水或许可以解冻，但不再会有鲑鱼可钓了。生物圈的存在基础是完整的物种多样性，以及足够的种群数量，类似火种计划或者诺亚方舟那样，靠种子库的办法，不要说无法恢复生态圈，就连保存一个物种恐怕都难于实现，尤其是高等生物，比如大熊猫无论怎样尽心呵护，也无法避免遗传退化的问题。因此，流浪地球的难题不仅是保存人类文明，而且是维护地球生态。用月球引力作牵引，替代行星发动机直推，不失为一种解决办法。

不少科幻小说中提出了用“空间曲率”发动机进行星际旅行的概念，用某种装置扭曲时空，然后让飞船在弯曲时空中前进。实际上，装置了行星发动机的月球正是一台推动地球前进的空间曲率发动机，推（拉）的是行星，比飞船夸张多了。从广义相对论的角度理解，所谓万有引力，就是物质对时空的弯曲。在弯曲时空中，一个不受外力的物体做有加速度的自由落体运动，而不是平直时空中的匀速直线运动。伽利略的球处于被地球弯曲的时空中，初速度为零，是经典的自由落体。地球在被太阳弯曲的时空中，带着轨道速度转圈圈，也是种自由落体。被月球的引力场拉动的地球，也可以看作被月球质量弯曲的时空驱动前进，和传说中一样，采用了空间曲率推进技术。只不过月球本身还是采用传统的工质推进技术，由行星发动机推着加速往前飞。于是地球一直在下落，但永远不会真的落到月球上，只要行星发动机还在工作。

这里出现了一个巨大的风险：一旦月球发动机出了什么问题，地球就危险了。规避的办法有这么几个：一是增加发动机的冗余量，按时维护，轮流检修，互为备份；二是在月球相对地球的侧面安装转向发动机，除了调整航向之外，还可以紧急启动，在推进发动机停机的情况下，给月球一个水平速度，让它不至于直直撞向地球；三是给月球安排一个摄动轨道，不是相对静止于地球，而是绕着前进轴作转动，类似于飞机的筒滚动作，这样天然带一个水平速度，就算发动机全部停转，也不会直接撞向地球，而是进入一个大椭圆轨道，并且轨道保持在洛希极限之外，这样就还有挽回的余地；最后，也是最重要的一条，不要用人工智能操作发动机，否则什么措施都没用。另外，爆炸月球的核弹也最好事先放置好，密码早早解算好，引爆线统统连好，别什么事情都赶着最后的时间点才做，一个预案都没有，一点后手都不留，跟拍电影似的。

从可行性方面考虑，这种方案的能量消耗基本等于抛弃方案，只不过是把对月球的轨道加速改成减速。对于进行圆周运动的天体而言，其轨道动能等于将其推离到无穷远需要克服的引力势能，而潮汐锁定下自转速度很低，其角动能可以忽略不计，所以和原方案相比，这样并不会增加额外的消耗。

和原方案相比，用月球作牵引器还有一个好处，就是可以将月球当做盾牌，放在前面抵挡彗星和小行星的撞击，上面可以驻扎宇航员，还自带重力，挖洞住地下（月下）还可以避免宇宙辐射，比领航者号好用多了，特别是在穿越小行星带的时候。最大的小行星是谷神星，质量是9.3E20kg，比月亮小两个数量级，只要控制好角度和速度，完全可以拿月亮硬抗，顺便还能补充点质量消耗。路过火星是个问题。火星的质量是地球的十分之一强，月球的八倍多，内部也没什么地质活动了，可以考虑给火星也装上行星发动机，一起去流浪，万一月球不够烧，还能当后备。

这种方案的加速度等于月地引力加速度，将各自的质量和距离代入万有引力公式，可得数值为：0.033mm/s^2。看上去虽然很小，但宇宙航行，贵在持之以恒，一年下来速度增量是1km/s，这就比较可观了。原著的设定是用500年加速到千分之五光速，算下来也不过是每年3km/s的增量。

随着质量的消耗，月球需要降低高度以维持加速度，有必要的话也可以适当提高轨道以降低加速度，或者在保证潮汐力不太大的前提下降低轨道提高加速度，或者改变相对位置以调整加速度方向，具备很高的灵活性。极端情况下，甚至可以用恢复月球公转的办法实现停车。月球的轨道动能是3.8E28J，地球的是2.6E33J。与带着地球飞相比，月球停转和重启的能量消耗近乎忽略不计。

说了月球牌空间曲率发动机的很多好处，缺点也不是没有，最大的缺点就是质量毕竟有限。用动量守恒一算就知道，不够一路烧去比邻星的，即便加上火星也够呛。既然恒星际旅行实现不了，那就在太阳系内想办法。《三体》中提到，用光粒打击太阳并不能摧毁整个太阳系，木星背后有死角。事实正是如此。所以木星的正确打开方式不是炸掉，也不是引力加速，而是用作掩体。木星的轨道速度是13km/s，一般的轨道能借几个km/s的样子，这么点增量不如自己加速几年，何必冒险。

木星是太阳系中的第二大天体，质量足足有太阳的千分之一，直径足足是太阳的十分之一。别小看这些比例，前者足以把太阳系的公共质心拉到太阳的本体之外，后者则足以遮蔽太阳爆炸的冲击，只要躲藏在木日第二拉格朗日点。所谓拉格朗日点，是天体运行轨道上的特殊位置，涉及两个天体，比如木星和太阳。在这些点上运行的天体，和两个天体之间的相对位置保持不变。拉格朗日点一共有5个，分别位于两个天体的中间、各自背后和两侧。木日第二拉格朗日点位于木星背后，和木星的距离是木星到太阳距离的0.07倍。在这个位置上，木星和太阳的引力共同牵引地球，公转周期和木星天然相同，只需少量动力维护轨道，用以排除其它天体的干扰，即可保持木星遮蔽太阳的状态。考虑到木星和太阳的直径比例，在这个位置上木星足以将现在大小的太阳完全遮住。即便太阳爆炸前体积膨胀，也可以挡住大部分其中心发出的射线，是个不错的掩体。

这个位置的最大优点就是：近。无须恒星际的旅行，在太阳系内部串门罢了，只需跨过火星、小行星带和木星轨道即。变轨的能量费用也不高，不用998，也不用688，更不用支付走出太阳系的引力势能，算下来只要2.3E33J，比地球已有轨道的动能还小，四舍五入等于不要钱了好吧。原版流浪方案光是脱离太阳系就需要支付等于轨道动能的能量，然后加速到千分之五光速需要另外的三千倍，减速还得再要三千倍。

这个方案的另外一个优点是无须减速。在月球发动机牵引下，由于加速度非常小，不同于人造卫星在椭圆轨道和圆轨道之间的变轨，整个过程是持续、平滑和缓慢的，地球始终保持在圆轨道上，加速带来轨道提升，动能换成势能，轨道速度不升反降，等于新轨道对应的速度，瞄好目标位置，不行多调整几把，一旦泊入目标位置，停车熄火，流浪完成。

位置近带来的最直接好处就是时间短。粗略计算一下，这个过程只需要17年即可，不是500年，也不是2500年，不到一代人的时间，缺点是完全没有史诗感了。至于总能耗，省能量就得费工质，假设喷射速度是光速的万分之五，原著目标速度的十分之一，也就是150km/s，这么一来行星发动机的总输出功率只需要1.5E25W，相当于太阳总输出的4%，能量利用率（地球获得的能量和工质动能之比）达29%，听上去还算合理。但这个数值仍然是太阳对地球照射功率的1亿倍，散出来一点还是不得了的，好在月球不住人，烤热点没太大关系。这种状态需要的工质总量是6.9E23，得火星和月球绑在一起（7.2E23）才够，二者共同引领地球流浪。所以只能对我们的这位邻居说声对不起了。也不用太难过，虽然是被扬了一路，到底还在太阳系内部。没被月亮收走的小行星们有机会了，两亿年后又是一颗好星。失去的史诗感可以在这边找回来。

至于烧剩下的月渣，或是火星渣，恰好可以拿来解决一个此前悬而未决的问题——太阳强度。一旦地球开始流浪，太阳的辐射强度就会下降，和轨道高度的平方成反比，到达隐蔽位置时只有当前的3%。不要说这个强度无法维持生态圈的正常运行，哪怕1%的下降都会引发生态圈的灾难性变化。我们可以用人造太阳的办法解决问题。既然行星发动机的功率达到了足以和太阳相比拟的程度，拿出其中一点烧个几千度的人造太阳应该不是问题，功率可以调整，以补偿阳光的减弱。人造太阳放在哪里需要好好斟酌，最简单的方法就是放在火星或者月球上，缺点是会破坏现有的日照规律，变成天有二日，每天只有6个小时的夜晚。另外一种方法就是发射多颗卫星，位置恰好处在地日之中的对地发光，轮流模拟太阳，燃料就是月亮。这是旅程中的临时措施，等达到目标点后，把剩余的月亮放在地球和木星之间的拉格朗日点，替代太阳照亮地球，还可以通过位置和强度的变化模拟出春夏秋冬，以及黄道赤道夹角。于是地球上一切照旧，包括大草原上的春天气氛。

最后还剩下一个问题，月亮没了，诗人怎么看，情侣怎么办，狼人该朝哪儿嚎？既然太阳都可以模拟，月亮更不是问题了，路过小行星带的时候，选白净好看的顺走一颗当月亮即可，中秋假期照旧放。甚至可以多弄几颗小行星，体积小没关系，轨道低点就好，不但看起来大，而且跑得快，你方唱罢我登场，各种排列组合，场景变幻莫测，把夜晚烘托成传说中的魔法世界。大家一边喝茶一边赏月，评论哪个更圆哪个更美，一起笑等太阳爆炸，岂不美哉。