我们能用巨型推进器改变地球轨道吗？

任天

影片《流浪地球》讲述了在21世纪初，科学家们发现太阳急速衰老膨胀，短时间内包括地球在内的整个太阳系都将被太阳所吞没。为了自救，人类提出一个名为“流浪地球”的大胆计划。该计划具体是这样实施的：全世界所有国家合力在地球表面建造了上万座发动机和转向发动机，推动地球离开太阳系，用2500年的时间奔往另外一个栖息之地。

回归到现实，虽然没有证据表明太阳会在短期内快速衰老膨胀，以至于我们不得不马上远离它，但全世界生物依旧面临太阳所带来的长远巨大风险。

在过去的45亿年，即使发生了一系列奇妙的意外——大规模撞击、月球形成、地球自转持续放缓以及生命的出现等——地球围绕太阳的轨道也几乎没有变化。就算受到太阳系和银河系中所有其他物体的引力影响，地球也仍有超过99%的可能性继续保持原有轨道，不会发生任何可察觉的变化。

从长远来看，这将给整个地球带来无法避免的灾难，那就是太阳辐射。

即使目前全球变暖所造成的最坏情况，包括温室气体浓度不受控制地上升，导致严重的气温上升和地球上所有极地冰川的融化等，与太阳辐射最终造成的后果相比，那就是小巫见大巫了——如果地球轨道没有显著的变化，不断增加的太阳能量输出将在未来10到20亿年内蒸发掉地球上所有的海洋，可能会杀死地球上所有的生命。

太阳所散发的光和热由核聚变产生，而核聚变只发生在太阳的核心，那里的温度超过400万K；在核的最中心，温度可高达1500万K（相比之下，太阳表面的温度约为5800K），那里的核聚变反应速率会随温度升高而迅速增大。但随着时间的推移，将出现以下问题：太阳核心将相当数量的氢转化为氦；氦在内核中聚集，但此时还不能进一步聚变；浓缩的氦导致引力收缩，进而导致太阳内部升温；内核的温度升高，导致“400万K及以上”区域扩大，占据更大的内部空间；这导致太阳的核聚变速率逐渐增大，从而增加太阳的总能量输出。

随着越来越多的太阳能量到达地球，地球上的防御和反馈机制便会逐渐“力不从心”。一旦全球平均气温上升到100摄氏度以上，所有海洋都将会蒸发。这一情景可能发生在10到20亿年后，届时，地球上所有生命将不可避免地终结。

有没有办法让地球摆脱这种命运？答案是肯定的，那就是改变地球的轨道，将我们的星球家园迁移到太阳系的另一个位置。为了达成这一目标，我们需要在南极建造一台巨大的推进器，才能最终拯救整个地球。

如果不能阻止太阳升温，那么让地球远离太阳也许是唯一可行的办法。亮度和距离之间有一个简单而直接的关系：每当你与光源的距离增加一倍，你感受到的亮度就减少到四分之一。以此推算，如果太阳的能量输出增加10%，我们只需要将地球与太阳的距离增加4.9%，就能保持接收到的能量不变。

目前太阳的能量输出每过10亿年就会增加10%。乍看之下，使地球轨道改变几个百分点似乎并不是一个特别艰难的任务。毕竟，地球绕太阳运行的轨道是椭圆的，离太阳最近的距离为1.471亿公里，最远的距离为1.521亿公里。这两个点接收到的辐射差约为6.5%，意味着如果我们能够将地球当前的轨道替换为一个保持在远日点距离的轨道，就可以使地球在3亿多年的时间里不增加能量输入。

然而，这不仅是一项艰难的任务，甚至可以说是一项近乎不可能的任务。地球之所以在今天这样的轨道上绕太阳运行，就是因为在这个轨道的每一个点上，地球的动能（绕太阳运行的能量）与当前距离上太阳的重力势能相平衡。如果我们设法使地球的动能减少，就会导致地球以更快的速度被金星的引力所吸引，最终并入金星的轨道。

在未来20亿年里，我们必须将地球与太阳的平均距离从目前的1.496亿公里扩大到1.64亿公里，以保持从太阳输入到地球的能量不变。但别忘了地球有着令人难以置信的质量：约为6×10千克。要让地球进入一个更远离太阳的稳定轨道，我们必须向地球额外输入4.7×10焦耳的能量——这相当于人类连续20亿年所产生的累计能量的50万倍。

要向地球输入如此巨大的能量看起来似乎是很高的要求，但也是可行的。事实上，太阳本身就有足够的能量供我们收集——在目前的地日距离下，只要没有东西挡住太阳光，则每平方米区域都能接收到1500w的连续光能，即每秒1500焦耳的能量，而我们有20亿年的时间（约6×10秒）来完成以下工作：收集太阳能；将太阳能转换成推力；利用这种推力来改变地球的动量和动能。

收集能量是这个问题中最困难的部分之一。有研究者提出了一个可能具有巨大前景的设想，那就是在太空中建立太阳能收集阵列。这可能需要一个规模惊人的阵列，总面积达到5×10平方米，大约相当于10个地球的表面积，才能收集到必要的太阳能。更重要的是，从另一个角度来看，我们需要的太阳能“只占”太阳总能量的0.000002%，这样的能量规模仍然相当巨大，但并非不可能。

另一个关键是如何有效地利用这些能量提升地球的轨道。从物理学的角度，我们必须在一定时间内施加一个外力，产生一个能带来加速度的脉冲，从而改变物体的动量。将火箭发射到太空的物理原理同样适用于将地球发射到更高的轨道。我们所要做的就是施加一个推力，使地球的动量向正确的方向改变，最终推动地球离太阳更远。

因此，我们需要一台推进器，这种装置（加速地球）的作用力与一个大小相等、方向相反的反作用力（排出乏燃料）相平衡。

理想情况下，我们要一直确保推进器的作用方向是准确的，使其推动地球朝着既定的移动方向前进。然而，在一个快速且持续旋转的星球上，做到这一点非常困难。因此，假设我们能够收集、控制、运输并将能量转化为有用功，那么更好的策略便是连续多次启动行星加速推进器。

随着上亿年的时间过去，人类将不得不开始面临大陆漂移的问题。但只要定期调整推进器的位置，使其始终保持在南极点，并直接指向地球的旋转轴，我们就不必担心地球轴倾角的灾难性改变。由于南极的极点位置刚好在地球自转轴上，所以将推进器安装在南极，能够保证其始终指向地球旋转轴。

一旦地球表面的冰全部融化，南极洲就会暴露出来。目前南极大陆仍覆盖着巨大的冰层，但在厚厚的冰层下，一大片陆地远远高出海平面。如果我们把南极洲的冰全部移走，就会发现南极点的海拔约为3000米。当我们把巨大的推进器安装在那里，并持续启动，就会发生一系列积极的变化：地球开始加速，并将被推到更高的轨道上；所有的推力将被利用起来，不会有一丝一毫浪费在地球当前的运动方向上；地球将被“抬升”出目前的地-日平面，但幅度较小，经过20亿年的推进，地球的轨道将比现在的平面高出几度。

不过，最重要的一点是，当我们通过持续推进增加地球动能时，我们也能更顺利地跳出太阳的引力势阱。这将使地球的轨道与太阳距离更远，使输入地球的太阳辐射逐渐减少，我们的行星家园也就能延续更长的时间。

虽然人类无法阻止太阳耗尽氢燃料，最终进入红巨星阶段，但我们可以通过让地球轨道远离太阳，为地球上的生命多争取几十亿年的生存时间。在我们已知的整个世界历史上——也许是整个宇宙历史上——这将是人类进行的最宏伟的工程。

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