下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
我已在“科学外史”专栏分享过两堂“令人沮丧的算术课”，第一堂关于星际航行（《新发现》杂志2010年第9期），第二堂关于类地行星（《新发现》杂志2015年第9期），这次是第三堂了。
我很早就指出，当代绝大部分科幻作品中的未来世界都是黑暗的，要解释这个事实形成的原因并非易事，也不是本文的任务，但这个事实本身是无可置疑的。后来有人问我：《流浪地球》的结尾算不算光明？
确实，从故事情节来看，《流浪地球》的结尾似乎是光明的——地球终于摆脱了木星的致命引力，踏上了流浪征途。这至少也可以算一个开放或中性的结尾吧？
但是，如果我们从现有的科学知识出发，试着展望一下，地球踏上流浪征途之后，将要面临的生存环境，就不难知道，这将是一段暗无天日的地狱之旅。如果打算用中国成语“九死一生”来形容，这个成语必须改成“万死一生”！
在刘慈欣小说原著中，有一处很少被人注意到的细节：“地球大气已消失，……我看到地面上布满了奇怪的黄绿相间的半透明晶块，这是固体氧氮，是已冻结的空气。”而在电影《流浪地球》中，这个细节被毫不犹豫地省略了。这不奇怪，因为世界上几乎所有的科幻影片对于行星大气问题都采取了“视而不见”的态度——首先，男女主角们不可能长时间穿着带头盔的宇航服演戏；其次，人类迄今并未解决过任何星球的大气问题，所有关于制造或改造行星大气之说，都只是纯粹理论上的设想。
然而，恰恰是这个被影片省略的细节，对于流浪地球来说是致命的。
大气冻结成晶块，是因为离开太阳系之后，地球所处的外部环境是接近绝对零度的严寒世界，所以大气无法再保持为气态。如果说气态的大气好比地球的一件保暖羽绒衣，那么冻结成晶块的大气就好比羽绒衣湿透后又结成了冰——它再也不具备任何保暖功能了。换句话说，地球将长期在零下270摄氏度左右的严寒中裸奔！
我们的第三堂算术课，就从这里开始。
首先，我们要估算流浪地球匀速巡航时每年需要耗费的总能量，为此我们先要知道目前地球每年的总能量消耗。
据《世界能源统计年鉴2019》的数据：2018年全球一次能源消费总量达到138.65亿吨油当量，即 198亿吨标准煤 ，同比增长2.9%。这个数字当然是逐年增长的，比如在2003年大约是146亿吨标准煤。
198亿吨标准煤这个数据有什么意义呢？在我们这次算术课中，它的意义必须在和另一个数据的对照中才能显现。
我们知道，地球上的所有能源，包括煤炭、石油、太阳能，归根结底都来自太阳，煤炭、石油可以视为太阳能在漫长岁月中的转换和存储而已。因此，我们需要估算地球每年能够从太阳得到多少能量。
我试了一晚上，不得不认为，要想从网上直接找到正确答案，几乎是不可能的。网上的数值五花八门，但几乎都是错的。尽管对于一个极为巨大的数值来说，差个十倍百倍甚至一万倍似乎都无关紧要，反正读者知道这是一个巨大的数量即可，但对于我们这次算术课来说，因为最后要归结到一个并不太巨大的数值上，所以还是需要准确。
为了解决这个问题，我决定从头开始。
天文学家提供了一个基本数据：太阳常数。这个常数有多种表达方式，数值也有小幅出入，但在这次算术课中，这个数值的小幅出入倒是无关宏旨。这里我们取《中国大百科全书·天文学》中的数值： 太阳常数=1.97卡（cm 2 /分钟） ，意思是太阳每分钟向地球所在位置的1平方厘米面积上投射1.97卡的能量。我们先做一点换算：
因为1克标准煤=7000卡，所以太阳常数=1.97卡（cm 2 /分钟）=19700卡（m 2 /分钟）=（19700 / 7000）克标准煤（m 2 /分钟）=（19700 / 7000）吨标准煤（km 2 /分钟）。
地球的截面积是127400000 km 2 ，这里“截面积”并不是地球的球形表面积，而是将地球视为一个圆面的面积。于是有：
（19700 / 7000）×127400000×60×24×365.2422= 188573671278720吨标准煤（每年），即太阳每年向地球投射的总能量约相当于 189万亿吨标准煤 。
这样我们就知道： 地球目前的全年能耗总量，只相当于太阳投射到地球的总能量的约万分之一 （198 / 1885736）。这个全球总能耗中，太阳能利用只占很小一部分。
也许有人会认为，既然我们只使用了太阳能中的极小一部分，那么当地球踏上流浪之旅后，我们也只需在目前全球能耗总量的基础上来考虑流浪地球所需要的能量。但这是一个大错特错的想法。
前面说过，地球的气态大气好比地球的一件保暖羽绒衣，更重要的是，当地球有这件羽绒衣的时候，它恰恰还沐浴在太阳的光辉下！
虽然地球上目前的全球总能耗只有地球所获太阳能的约万分之一，但那一万倍于地球能耗的太阳能，其实并非对地球环境毫无贡献，恰恰相反，这部分太阳能对现今的地球环境做出了极为重要的贡献——正是太阳温暖着地球，不仅没有让地球处在漫漫寒夜中，还让地球保持了大气这件羽绒衣。
所以，一个非常直接的推论是： 地球踏上流浪之旅后，如果还想保持现今的生态环境，我们每年就需要耗费现今地球全年总能耗约一万倍的能量 ！
当然，流浪之旅嘛，大家都应该勒紧裤带过艰苦日子，不能再像以前那样奢侈了。我们就听任大气层消失，大家躲入地下生活。在这种情况下，以现在全球每年198亿吨标准煤的能耗，还能不能长期维持呢？答案是：非常困难。
流浪地球在失去“羽绒衣”的同时，也失去了日照，地球从此不再有四季和昼夜，只能永远在接近绝对零度的无边寒夜中裸奔。地底的人类为了生存，肯定需要耗费巨量能源用于加温。如果人类还以类似现在的状态生存，地下环境至少要保持在摄氏10—20度左右。这时内外温差将达到280度以上，巨大的温度梯度一定会使地下环境急剧散热。无论采取怎样极端的隔热保温措施，不持续耗费巨量能源，地下环境就不可能达到温度的动态平衡。所以，198亿吨标准煤的年能耗很可能远远不够。
同时，由于失去了太阳，地球也就失去了一切外来能源，只能靠地球上的存量能源来维持人类生存。煤炭和石油很快就会耗竭，接下去只能指望核能了。如果人类及时掌握了聚变核能，也许还有些希望。不过，现有研究表明，一个很不幸的事实是：尽管氢在宇宙中是最丰富的元素，但它在地球上却偏偏占比非常小。
所以，人类更合理的逃亡方案，其实正是小说原著中被否定的“飞船派”的主张：建造若干巨型星际战舰，人类组成流浪舰队。这样环境建设和能源使用都能更为科学，支撑时间可以更长。万一路上有机会掠夺别的星球的战略物资（比如氢）时，也更有战斗力。
（原载《新发现》杂志2020年第8期）