《流浪地球2》评论（六）：《流浪地球3》拍什么？ | 袁岚峰
■ 导读
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《流浪地球3》拍什么？
对此可以有狭义的回答和广义的回答。
狭义的回答是，《流浪地球3》很可能会拍氦闪（helium flash）危机，这是原著中的核心情节。氦闪也是原著中最核心的科学概念，它是一种毁灭性的灾难，人类正是为了躲避氦闪才要逃离太阳系。
顾名思义，“氦”说明它是氦元素聚变，“闪”说明它是一种瞬时性的现象。如果你是一个勤于思考的人，而且你知道太阳现在的主要成分是氢，它正在把氢聚变成氦，那么你就会问：为什么氢聚变不会闪，而氦聚变就会闪（《流浪地球》中的氦闪究竟是什么？| 袁岚峰）？
非常好的问题！如果你能从这个角度去思考，你的思维水平就超过了90%的人。下面，我们就先来解释一下为什么氢聚变不会闪。
答案非常有趣：太阳里存在一个自发的负反馈机制，就像人体维持体温、血压、pH值等指标稳定的负反馈机制一样。核聚变需要非常高的温度和压强才能发生，而太阳的核心刚好达到了氢聚变的条件，可以让氢聚变成氦。太阳物质的万有引力使得它们向内塌缩，而氢聚变的能量使得它们向外膨胀，两者刚好达到平衡。最奇妙的是，这个平衡是自我维持的。
太阳核心的压强平衡（https://scienceatyourdoorstep.com/2020/08/24/helium-ignition-in-stars/）
为什么呢？因为如果核聚变太快了，放出的能量太多，核心就会膨胀，这会让核心的温度下降，于是核聚变又会变慢一些，恢复了平衡。反之，如果核聚变太慢了，放出的能量太少，核心就会收缩，这会让核心的温度上升，于是核聚变又会变快一些，同样恢复了平衡。
这个负反馈机制导致，几十亿年来太阳一直在以相对稳定的速度燃烧氢。这对我们是一个巨大的好消息。假如不是这样，太阳辐射忽高忽低，那么地球上的生命早就死光光了！因此，我们习以为常的“万物生长靠太阳”，其实是一种巨大的幸运。一个例子可以说明这种幸运的程度：目前预测太阳在十亿年后亮度将增强10%，这已经足以把海洋蒸发，消灭地球上的生命。
下面，我们再来解释为什么氦聚变就会闪。答案你已经能猜到了：氦聚变没有这样的负反馈机制。但为什么没有呢？
这里的基本原因在于，氦聚变难以点燃。两个原子核要聚变，首先要克服双方带正电的质子之间的排斥力。而氦有两个质子，氢只有一个质子，因此让两个氦聚到一起更困难，需要的温度更高。当太阳核心的氢消耗殆尽时，里面全都是氦，却不能发生聚变。这些氦就好比煤炉中煤炭燃烧剩下的灰烬，被称为“氦灰”（helium ash）。
氢聚变成氦
太阳核心的氦灰在万有引力的作用下会继续向内塌缩，然后有趣的来了：氦进入了量子力学的“简并态”！
所有的微观粒子分为两类，费米子和玻色子，例如电子、质子、中子属于费米子，光子属于玻色子。费米子要满足泡利不相容原理，即两个粒子不能属于同一个状态，而玻色子不需要满足泡利不相容原理。大家在高中学的原子中的电子排布，就是由泡利不相容原理决定的，所有可选的能级从低到高一路排上去，因为不能有两个电子挤在一块。当氦被挤得非常紧密时，它们的电子就处于所有可占据的低能级都排满了的状态，再来一个只能往上排。这种状态就叫做简并态，由此产生的压强叫做简并压。简并的意思是多个粒子处于同一个状态，简并压的意思是由于“粒子不愿意简并”产生的压强。
泡利不相容原理（https://scienceatyourdoorstep.com/2020/08/24/helium-ignition-in-stars/）
简并压有个要命的特点：它跟温度没有关系，只跟粒子密度有关。这个特点很要命，是因为它破坏了前面说的负反馈机制。当氦在引力的作用下向内塌缩时，温度升高，但压强不变，这就使得氦出现了一个奇异的场景。一开始温度比较低，氦完全不聚变。直到温度高达一亿度，这时氦终于被点燃了。但由于简并压与温度无关，它不能通过体积自发膨胀让聚变减速，反而是聚变放出的能量让温度升得更高，让更多的氦聚变。也就是说，只有正反馈，没有负反馈。这样的系统会发生什么？一场失控的爆炸。
这就是氦闪！在以秒计的时间里，太阳核心的氦剧烈地燃烧，产生的能量比平时高千亿倍。这时一个太阳的能量输出，顶得上整个银河系。因此，《流浪地球》里把它描述成毁灭性的闪光，是有道理的。
然而如果细究起来，这个描述其实不对。因为氦闪的能量爆发只是在太阳的内部，这些能量大部分被太阳本身吸收了，以至于在外界几乎看不出太阳的亮度有什么变化。因此，目前我们还没有观测到一颗氦闪的恒星，因为缺少观测的方法，这是一个活跃的研究前沿。
2020年的论文《氦核闪的星震信号》
《流浪地球》原著里对氦闪的另一个描述是正确的：“太阳将变为一颗巨大但暗淡的红巨星，它膨胀到如此之大，地球将在太阳内部运行！”所以氦闪本身不是灾难，但伴随氦闪的太阳膨胀是灾难。
变成红巨星的太阳
太阳为什么会膨胀？因为当太阳核心的氢耗尽时，随着核心温度的继续升高，核心边缘一层本来不能聚变的氢开始发生聚变。它产生的能量会把太阳外层向外掀，让太阳急剧膨胀。不过书里还是有点小错误，它说太阳变成红巨星发生在氦闪之后，实际上应该是之前。
核心边缘层的氢发生聚变，导致太阳膨胀
如果你了解了氦闪与太阳膨胀的原理，你的知识水平就超过了99%的人。不过我们也需要指出，这并不是一个迫在眉睫的危机。太阳目前的氢燃料还很充足，它变成红巨星是在50亿年之后，而不是几百年甚至几十年。因此，原著和电影中的背景“太阳急速老化”纯属虚构。然而能让我们居安思危，胸怀宇宙，就是了不起的价值。
在前两部电影中，都没有正式表现氦闪。在第二部中更是对太阳的关注都很少了，情节集中在地月系统内部的争斗上，最后把月球给炸了。月球要抗议：为什么地球和太阳打架，受伤的却是我？！（《流浪地球2》科学顾问带你“流浪月球” | 梁文杰）
期望在第三部中，氦闪这个宇宙奇观回到中心位置。在原著中，氦闪没有把人类搞死，由于不相信氦闪而反对流浪地球计划的叛军却差点把人类搞死。在这里就不多剧透了，没看过原著直接去看电影也有一种新奇的体验。
以上是对“《流浪地球3》拍什么”这个问题狭义的回答，还可以有广义的回答：拍中国与全球的科技进步。最近，中核集团、中国航天科技集团、中国建筑、中国石油、中国石化、中粮集团等纷纷喊话《流浪地球2》，宣传自己的科技贡献（“整整齐齐的国家队排面”！）。
国家队团建式喊话流浪地球
这令我们想到，《流浪地球2》能激起这么多讨论，首先就是因为中国确实有了这些方面的科技基础。例如量子计算机、可控核聚变、空间站，中国都不但是有，而且称得上先进。假如是几十年前拍中国科技拯救世界的片子，观众在心理上就不太可能接受了。
目前中国科技明显的短板大概只剩下芯片。假如拍个中国芯片世界最强的电影，可能就会遭到很多人的嘲笑，更大的可能是选题就过不了。又如印度、俄罗斯或任何一个中美之外的国家拍这样的电影，可能都过不了观众的第一关，——即使是韩国……反过来想，如果其他国家的科学家都以自己的研究出现在中国科幻作品中为荣，那说明我们真正成为了科技与文化的引领者。
软实力非常重要，但它是建立在硬实力的基础上的。有了软实力，又会帮助硬实力的发展。因此，我们更加期待《流浪地球3》，期待中国的科幻产业百花齐放，期待中国早日成为世界科技与文化的引领者！
风云之声
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