带着地球去流浪分几步？
这个问题可以比作出去旅游，要解决几个问题：
去哪里？怎么去？带什么去？
陈征 · 北京交通大学副教授
格致校园第5期 | 2019年 北京
今天以《流浪地球》作为引子，跟大家分享一下：科学是什么，科幻是什么，它们之间是什么关系，以及科学家是怎么思考事情的。
科学与科幻的关系
人类文明可分为三部分：科学、文化、艺术。这三部分各有分工：科学求真，文化求善，艺术求美，它们有时候相互交织，但是各自解决不同的问题。我们面对的世界是由科学、文化、艺术等因素组合而成的完整的世界。
科教、科普、科幻有什么不同呢？课堂上学习的数理化，有公式、有计算、有推导、有证明，严格严谨，这是科学教育；《加油，向未来》这类科学节目的目的是让大家粗略了解科学是什么，这是科普；科幻介于二者之间，有一定的科学依据，同时也要有浪漫的想象，既要严谨，又要好玩。
科幻是什么？是科学、文化、艺术相结合的产物，也是相互妥协让步的产物。
科幻有一个好的主题就够了，比如《流浪地球》里“背着地球去流浪”这个主题就很打动我。科幻作品里浪漫想象必不可少。科学和非科学也不一定代表对或错。
举个例子，《星球大战》是一部经典的科幻作品，我们从科学家的角度分析他们手里拿着的光剑到底什么做的。它是激光吗？两束激光是不会顶在一起的，激光笔的光是无限长的。火焰是一种等离子体，所以这个会是等离子体吗？两道火焰不会顶在一起，更何况相撞的时候还发出声音，还火星四射。
如果从科学严谨的角度来看，这把剑更像一根铁棍。我曾经用两千多字的一篇文章专门论述过《星球大战》里面的光剑，其实是两根烧红了的铁棍。
第一，它们会发光；第二、它们能顶在一起；第三、它们在相互碰撞的时候还会冒火花，所有行为特征都符合。所以我们不要把科幻的东西当教科书看，科幻对我们来讲是一个愿景、启发、愿望。
科学到底解决什么问题？简单说，科学解决人和自然关系的问题，不解决价值判断的问题，不解决人和人之间的问题。如果按科学（这里说的是狭义的科学，就是可测量的，可验证的才叫科学）的原则，我们在团体里讲达尔文法则，物竞天择、适者生存。这是不合理的，我们应该讲友爱同学、尊敬师长。
回到《流浪地球》，飞船派还是地球派不是科学问题。西方喜欢飞船派，他们传承古希腊文明；我们是地球派，传承农耕文明。这种文化判断是深深植根于我们文化之内的，是没有对错的。
至于联合政府是什么样的？地下城里面是居委会、村委会还是奴隶社会？跟科学关系不大，这是社会问题。
有人讨论过《流浪地球》里的这个场景，今天我们都有自动驾驶了，卡车为什么还要用人开？科学只解决卡车能不能自动驾驶的问题，我们要不要使用这个技术跟科学没有关系。
科学家是如何思考问题的
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什么才是科学问题？我们都知道把大象关冰箱总共分三步，这就是清晰的逻辑。带着地球去流浪分几步？这个问题可以比作出去旅游，要解决几个问题：去哪里？怎么去？带什么去？
当我们面对一个现实的问题的时候，因为时间有限，资源有限，所以我们要优先解决更重要的问题。最重要的是去哪里，然后再考虑怎么去，最后再想带什么。如果没有解决去上海还是去杭州的问题就考虑带什么去，是没有用的。
所以科学家面对问题时需要有清晰的思路。大家习惯于标准答案，但从你走出校园离开考场那一刻开始，就再也没有人告诉你标准答案。
从一个科学家的角度出发，我们假设现在要带着地球去逃跑，往哪跑？怎么跑？而且要“球”不坏、人还在。
▲ 比邻星（ProximaCentauri）
首先是往哪跑的问题，我们要确定一个目标。流浪地球的目标是远离太阳系，到达比邻星，虽然比邻星不一定是特别好的选择，因为比邻星的质量只有太阳的1/8，它比太阳还暴躁。它是三星系统，我们跑到那里估计还得多学一个脱水的技能。但这个问题跟物理无关，应该由天文学家来回答。
怎么跑？物理学家研究问题有个基本方法，化繁为简，要先研究最简单的现象，研究明白以后再从简入繁。比如研究质点。我手里的激光笔掉到地上，如何研究它落地多久？把它看成一个有质量的点，知道一个点怎么落下去之后，再考虑它的形状、大小和颜色。
物理学家解决问题的武器有两样：一、物理规律、二、边界条件。1+1=2当中的“+”就是物理规律，“1”和“1”就是边界条件，加法是规律，1、2、3、4就是条件。有了规律和条件就知道1+1=2。
我们现在要逃离太阳系，冲向比邻星。物理规律是什么？牛顿定律和万有引力。边界条件就是当前所处的地方，太阳在哪？地球在哪？木星在哪？要干什么事？逃跑。
先建一个理想模型：不考虑地球软硬、大小、颜色，把地球看成一个点，绕着太阳沿正圆转。跑不跑得了？宇宙第一天条：出来混迟早要还的，也就是万物守恒。
基于这个守恒定律，我们要从地球这个“坑”里逃出去需要多少能量？需要1033J的能量。
如果靠烧煤获得这么多能量需要多少？标准煤燃烧值为7000kcal，折合2.93×10^7 J，需要烧掉大约9×10^25千克标准煤，大约15个地球。
用核聚变的方式，要烧掉多少个地球？烧掉百万分之五的地球就能离开太阳系了。
也就是说，大约烧掉万分之五的地壳就能离开太阳系了。
那能不能加速到光速的千分之五？
地球要想加速到光速的千分之五，需要烧掉地球质量的1.25%，就是要把整个地球都烧掉。
然后算算推力够不够。要想获得小说里的150万亿吨推力，需要每秒钟喷出去50亿吨石头，而且速度要达到火箭速度的60倍。这是什么概念？整个三峡395亿吨，把整个三峡的水拿来做水火箭够喷8秒钟。
这是电影里出现的车，根据人和车的比例，我找了一辆真实的车，这是世界上目前最大的车，315吨的载重。
每秒钟烧50亿吨石头，意味着一秒钟烧1600万辆车的载重，这是个多么大的工程！
加速到千分之五的光速，要3.8万年才能做到。
所以我提高了这个条件，用光速的1%喷物质，每秒50亿吨，这样需要喷1.5万年，但是要损失掉40%的地球。加完速还要刹车的，再一刹车那40%又没了。
我们现在以光速的10%的喷，把整个三峡的水一秒钟喷完， 450年可以实现。这个和小说比较接近。
如果说10%的地球消耗量太大了，我们假设以光速50%去喷，这样380年能实现消耗1%的地球。但是我们几乎达不到50%的光速。
地球到底跑得了吗？乐观到令人发指地说：不是完全不可能，但是难度也大到令人发指。
解决了这些问题以后，我们根据能量守恒知道大体可以实施。接下来用牛顿和爱因斯坦理论去做计算。150万亿吨推力的推背感其实很小，要把地球推走还需要克服非常多的力学问题。
如何保证球不坏？目前《流浪地球》里面的方案是在一个生鸡蛋上绑了一堆窜天猴。地壳厚度相当于地球半径的0.27%，而一个生鸡蛋壳厚度相当于半径的1.2%。就是说，地球是个薄壳鸡蛋，而且地球是有板块的，它还是一个有裂纹的薄皮鸡蛋，这是非常可怕的事情。
这个发动机底下到底有多少压强？大约相当于2万米水压。其实电影里面对洛希极限的问题做了妥协，因为地球对木星的洛希极限在大概0.7倍木星半径里面，不在木星外面。为了电影情节只能忽视这个问题。
最后，关于人还在的问题。比如，电影中刘培强中校的领航员号空间站在地球前方10万公里处，他冲回火柱时用了不到一分钟。我们如果拿0.5at²去计算，他那时候承受了几百倍重力加速度，你绝对看不到眼泪飘在空中的景象，而是刘培强中校被自己的体重压扁了。
所以，要把地球运动限制在人能承受的超失重范围内；提供适宜的温度、空气等环境；还要保障水、食物和其他生活必需品的供应，等等。
做个小结就是，当有一个科学问题抛过来时，我们需要先对问题进行简化，把地球变成一个点，然后逐步加入其他条件，接着提出假设，提出假设后还要做实验。
关于电影的小问题
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下面我们一起玩个小游戏——为《流浪地球》找找茬儿。
地球是站着跑还是躺着跑？所有发动机都在北半球，因为北半球有大陆，南半球都是海洋。我们要想跑到木星那里去，不光要让地球停转，还得先把地球放躺下。否则的话我们跑错方向了。
被称为”上帝的喷灯“的行星发动机的高度是1.1万米，图片是北京北边的燕山山脉上的长城，燕山山脉的海拔是600-1500米，但是我们在电影看到的行星发动机感觉跟一个烽火台一样大。
云从哪来，风雪从哪来？主人公来到地面，一开门外面冰天雪地，一股风雪扑面而来。风雪从哪来的？空气里面的水蒸气是从海面蒸发上来的，但是整个地表零下80度，全部冰封，是不会有水汽的。
影片里最后出现的冲击波，说是7000马赫。1马赫是一倍声速（340米/秒），7000马赫的波跑7万公里为什么用了7分钟？这么算下来这个波只有500马赫上下。
当然，这些都是为了剧情需要做出的改动，面对这些科学问题我们用“大家来找茬”的心态就好，欣赏电影艺术是一个享受的过程，不需要如此苛刻。
所以，我们要对生活保持热情，多问“为什么”。虽然我们现在要按文理分科，但是我们生活在一个完整的世界，我们应该面对一个科学、文化、艺术交织在一起的世界，科学处理激光笔落地问题，在集体里面我们要讲团结友爱，不讲达尔文法则。
谢谢大家！
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