流浪是地球无法逃脱的宿命吗?-深度-知识分子

流浪是地球无法逃脱的宿命吗?

2019/02/10
导读
带你看懂《流浪地球》中的物理学

地球为什么要流浪?如何将地球变成宇宙飞船?流浪的地球为何靠近危险的木星?比邻星是合适的新家园吗?如果你还没看电影,这篇文章会提升你的观影体验(虽然微剧透);如果你已经看过电影,读完这篇文章,我想你会忍不住二刷〜


撰文 | 李唐

编辑 | 金庄维


在不远的将来,太阳因为衰老开始急速膨胀,太阳系不再适合人类生存。为了避免被毁灭的命运,人类启动“流浪地球”计划,在地球表面建造了一万座行星发动机,将地球变作一个巨大的宇宙飞船逃离太阳系,寻找并建造新的家园。在浩渺的宇宙中,地球和人类开启了预计长达2500年的流浪之旅。


这是新年伊始上映的硬核科幻大作《流浪地球》中的情节。这部电影根据我国著名科幻小说家刘慈欣先生的同名小说改编而成,充满了丰富的想象力,其恢弘的场面给观众们带来了极大震撼。


作为一部硬核科幻电影,《流浪地球》中涉及到了许多物理学知识。如果不了解这些知识,电影的一些情节可能会让你一头雾水,精彩程度也会大打折扣。下面,我们就一同来了解《流浪地球》中的物理学。


愤怒的太阳

自古以来,对于太阳的赞美可谓是不计其数。太阳作为光明之始、生命之源,在神话时代就处于显赫的位置。在埃及人的宗教神话中,太阳崇拜占据了主导地位,太阳神很早就同化了许多其他的神灵。在一些阶段,法老拥有太阳的不朽。作为太阳初升之地的东方是生命之地,冥界之王奥西里斯(Osiris)不会在此行走。很多神话中都有至上之神的“太阳化”。至上天神们往往具有储藏和分配“生命”的角色,而太阳在生命过程中的作用是无可替代的(这是太阳化的重要原因之一);因此,天神逐渐转变为太阳神。太阳神也开始具有创造万物和生殖的能力。在帝汶岛,“太阳之主”乌希-尼诺(Usi-Neno)和他的妻子——“大地之母”乌希-阿妇(Usi-Afu)结合产生了整个世界,一些酋长则被称作“太阳之子”。卡法人(Kaffa)称至上神为阿波(Abo),意思是“父亲”和“太阳”,太阳是这位神的化身。


但太阳的下落会带来黑暗。一个在新西兰广为流传的信仰认为,只要在黄昏时看一眼太阳就会导致死亡。太阳“吸走”生命物的灵魂,但同时也引导死者的灵魂。在印度人那里,太阳具有两面性:他是人类真正的祖先,有时却等同于死亡,因为他会吞噬他的孩子。下面我们会看到,这一神话中的恐怖之事终将变为现实;而这也是“流浪地球”计划开启的原因。

首先,我们需要了解太阳的能量来源。宇宙空间中存在着许多气体和尘埃,它们大片地聚集在一起变为云朵般的形态,即星云。星云中气体、尘埃的分布是不均匀的;在一些密度较大的区域,这些小颗粒们会通过万有引力互相吸引并聚集起来,聚集物会像滚雪球一般越来越大,成为如太阳一般的恒星的雏形。引力作用使得聚集物持续收缩,中心的温度不断上升。其实这是一个能量转化的过程——引力势能转化为热能。


但为什么聚集物没有持续收缩为一个点呢?这是因为微观粒子总是在做无规则运动,且温度越高,运动越剧烈;粒子们的运动会产生一个压力阻止收缩。如果压力正好等于引力,便会形成一个相对稳定的状态。


当中心温度上升到一定程度时,核反应开始发生。在太阳中,四个氢原子核(即质子)聚合在一起,发生我们所谓的“核聚变”反应,经过一些中间过程最终变为一个氦原子核,释放出巨大的能量。这些能量从何而来?由于四个质子的质量大于一个氦原子核,而爱因斯坦的质能方程告诉我们:能量=质量x光速x光速。光速是个很大的数,因此很小的质量也能产生极大的能量。正是核聚变反应前后的那一点质量差产生了太阳伟大的能量。这些能量从发生反应的核心区域传递到太阳表面,以光的形式到达地球,成为许多生命的能量之源。


对于和太阳同等大小的恒星来说,这种核反应过程可以持续约100亿年。但对于质量更大的恒星,时间则要短得多。因为大质量恒星所包含的物质更多,向中心收缩的引力更大,这会导致其中心温度高于太阳,核反应的速度也更快;因此,作为燃料的氢会很快耗完。在一个质量等于二十个太阳的恒星中,这种核反应的持续时间约为一百万年,远小于地球上的地质时间尺度。


我们的太阳大约是在45.7亿年前诞生的。现在的太阳正处在稳定的壮年时期。核聚变产生的能量及压力、能量扩散所导致的损耗和太阳中物质之间的万有引力达到了一个完美的平衡。天文学家们称那些像现在的太阳一样处于这个稳定时期的恒星为“主序恒星”。


但是,随着核反应过程不断进行,太阳内部的氢逐渐变成氦;这些氦将堆积在太阳里面。由于核聚变反应是四个氢核产生一个氦核,原子核的总数变少,使得抵抗引力的压力变小,星体略微收缩,因此太阳的中心温度将慢慢上升,内部核反应的速率也会逐渐增加。现在,太阳的核反应速率已经比它刚变成主序恒星时大百分之三十左右。由于核反应速率不断加快,在大约五十亿年以后,太阳辐射出的能量将会是现在的两倍!


那时,地球将会受到太阳前所未有的炙烤,其情形可能比后羿射日之前更为糟糕——地球表面的温度可能会超过300摄氏度,海洋、河流中的液态水均会沸腾,变成水蒸气。如果我们并未进化到足以在这样的地球上生活下去,那时就必须考虑离开地球了。当然,我们也不必过于急躁,毕竟这是五十亿年以后才会发生的事情,我们还有充足的时间享受美好的生活。


假如我们五十亿年以后的科技已经可以创造出在300度高温下运转良好的生物圈,那我们是否就不用逃离太阳系了呢?遗憾的是,答案是否定的。


当太阳中心区域的氢燃烧得所剩无几时,上面提到的那种核聚变反应便会停止。这时,待在太阳中心的是一个由氦构成的核心。由于核反应已经停了下来,引力开始占据主导地位,将太阳核心附近的物质向中心压缩。于是,太阳的中心温度开始持续上升,核心外部的温度也随之升高。结果是离中心较远的一些氢也被点燃,开始进行核反应,并驱使太阳较外的部分膨胀。这时太阳已经进入了红巨星阶段。接下来,它会不断膨胀,吞没水星和金星,表面可能会到达当前地球轨道的位置,其半径大约会是现在的200倍。


那太阳也会将地球吞入肚中吗?事实上,太阳在膨胀过程中会流失一部分质量,因此对地球的万有引力减弱,使地球轨道的半径扩大。如此看来,地球可能会逃过一劫,但下面我们会看到,离太阳或者木星这类大质量天体太近,还会遇到可怕的潮汐力;除了表面可能已被完全烤干,地球还会被撕得粉身碎骨。我们必须在太阳给予死亡的惩戒前逃离这里,否则就将被吞噬。

膨胀的太阳


由于中心温度不断上升,太阳核心处的氦也会被点燃,发生一种新的核反应——氦变成碳。但令人吃惊的是,占太阳质量百分之四十的氦会在短短几分钟之内反应完毕!而之前的氢却持续燃烧了数亿年。天文学家将这一过程称为“氦闪”。值得注意的是,“氦闪”释放的能量相当于太阳正常燃烧数百万年所产生的能量。


当然,氦也有燃尽的一天。这时太阳的核心将会坍缩,变成一颗白矮星;外层的物质则会弥散开来,形成行星状星云。白矮星之所以叫白矮星,是因为它体积小,且呈白色。我们知道,铁块很快就能被烧红,但要出现白色是比较困难的。这是因为发白光的铁块温度更高。同样,白矮星的温度也很高,平均的表面温度为一万摄氏度。白矮星也拥有很高的密度,一立方厘米的白矮星重达一吨。在这里,太阳走到了尽头;遗存下来的白矮星会在数十亿年中逐渐冷却和黯淡。


如果一颗恒星的质量是太阳的三倍,那在它演化的后期会发生一次剧烈的大爆炸,科学家将其称为“超新星爆发”。这一爆发会释放极大的能量,其光芒甚至能够照亮整个星系。2016年1月,中国科学家观测到最强超新星,亮度是太阳的5700亿倍。这是恒星死亡前的最后一次辉煌。


行星发动机

《流浪地球》中出现的行星发动机,每座高达11千米,它们的作用是提供地球前进的动力——根据设定,一共能产生150万亿吨的推力,如果将单位换作牛顿,大约是150亿亿牛顿。地球的质量约为6亿亿亿千克,利用牛顿第二定律——加速度=力∕质量,可以得到发动机推动地球的加速度大约等于0.00000025米∕(秒x秒),这可能很难推动地球

行星发动机


这些发动机的力量也来源于核反应,但反应原料却是石头!地球上的岩石储量可以说是相当丰富了,不愁发动机熄火。氢和氦是最轻的元素,而石头中的氧、硅、钙等元素较重,它们发生核反应的条件极为苛刻。目前,只有在大质量恒星的中心部位才可能发生这样的核反应,那里极高的压强和温度让不够先进的文明望而却步。看来,人类要建成这种重元素聚变的发动机还需要发展N年。


要想造出这种发动机,还需要一项关键技术,即控制核聚变的能力。人类发明出的氢弹也是利用了轻核的聚变反应。当然,这是不可控的核反应;与太阳相比,那么一点物质产生的引力并不足以将反应控制在一定区域内。反应产生的能量会迅速向周围释放,产生毁灭性的打击。只有将反应约束到一定范围之内,才能成为可利用的能源。


这一技术的难点主要在于聚变反应的温度很高,地球上没有任何容器可以承受核聚变,因此只能寻找其他方法。目前主流的方案有两个:磁约束与惯性约束。我们知道,原子核是带正电的;磁约束主要是利用托卡马克装置建立一个强大的磁场,从而将反应的物质约束起来。而惯性约束则是将反应原料装到一个小胶囊里面,然后用高能激光束照射,使其达到反应所需的温度和压强。在反应的极短的时间内,反应物来不及扩散便已完成反应,从而达到约束的目的;这一过程只有几个皮秒(1皮秒等于万亿分之一秒)。

中国的托卡马克装置——东方超环(EAST)(图源:lssf.cas.cn)


人类在控制核聚变的路上还需多年的探索,但这项技术的研究已经出现了曙光。相信在不远的将来,我们便会看到核聚变的反应堆——那是和太阳一样的能量,我们将真正的天火盗来了地球。


撕裂地球之力

在电影中,当地球接近木星时,推动地球前进的行星发动机出现了故障。如果地球和木星之间的距离超过洛希极限,木星的潮汐力就会把地球撕碎!这究竟是为什么呢?

木星临近


牛顿的万有引力定律告诉我们,两个物体之间的引力与它们之间的距离有关,而且距离越近,引力越大。这意味着,当你在地球表面行走时,头部受到的地球引力是小于脚部的。万幸的是,地球的引力并不算很大,人类头部和脚部的引力差几乎不会产生什么影响。但是,当你来到一个黑洞附近时,黑洞的巨大引力会使引力差变得很大,你将会被扯成面条。这种由引力差产生的力量便是“潮汐力”。


木星是一个大质量的行星,其产生的引力也是十分可观的。如果地球离木星较远,那么潮汐力还不足以撼动使地球成形的万有引力。一旦距离过近,潮汐力便开始占据上风。这个临界距离称为木星的“洛希极限”;这一极限值是由法国天文学家洛希首先求得的。超过洛希极限,地球就会被潮汐力摧毁。这真是一种可怕的命运,难怪在电影中,人类要不惜一切代价地摆脱木星。既然木星这么危险,那为什么要靠近木星呢?这就得说起“引力弹弓”了。


引力弹弓

“引力弹弓”是一种比较成熟的航天技术,利用一些天体的引力来改变航天器运行的方向和速度。我们可以想象这样的场景:一个系有绳子的小球正在飞行,绳子的另一端握在你的手里。如果你将之前松弛的绳子突然拉直,根据你拉绳子的方向,小球会改变运动方向或加速。同样,在宇宙空间,引力会起到类似于绳子的作用。只要我们进行恰当的计算,便可以很好地利用引力为我们服务。


引力弹弓效应的应用,早在上个世纪七八十年代便已十分广泛。其中最为著名的便是“旅行者号”的“伟大航路(grand tour)”。在1980年前后,木星、土星、天王星和海王星都会运行到太阳系的同一侧。旅行者1号和2号利用这次难得的机会,多次借助引力弹弓效应进行航线修正,一次便对太阳系的好几颗行星进行了探测,并且达到了很高的航速,从而飞出太阳系。


电影中人类的“流浪地球”计划也是想要利用木星的引力弹弓效应对地球进行加速,从而更快地离开太阳系。对于科幻作品而言,这是一次成熟技术的再现。


新的家园——比邻星?

流浪地球的最终目的地是比邻星。比邻星是离地球最近的恒星,大约在4.2光年以外,这个距离相当于399233亿公里;对于我们现在的科技来说,这是一个十分遥远的距离。如果乘坐目前最快的宇宙飞船去比邻星旅行,来回就得17万年。

“流浪地球”计划


恒星的能源对地球来说十分重要,这样看来最近的比邻星似乎是最优选择了。但比邻星也许并不是那么的理想。首先,比邻星的质量比较小,因此也比较暗,而且会经常爆发耀斑——这是一种大量能量的释放,同时伴有物质抛射。对于离比邻星并不遥远的居民来说,耀斑会带来很大的麻烦。如果地球进入环绕比邻星的轨道,耀斑很可能会对生态圈产生致命的打击。


另一个问题在于,比邻星附近还有其他两颗恒星。地球进入任何一颗恒星的系统后都会受到其他恒星引力的影响,地球轨道很难处于稳定状态。因此,比邻星也许并不适合作为人类的第二个家园。


看完这部电影后,除了视觉上的满足,我们更会感受到地球的脆弱。在广袤的宇宙中,目前并未发现别的生命痕迹。我们的存在似乎有太多的偶然:稳定的太阳,适宜的温度,保护生命的大气,滋润万物的水……同时,人类的伟大也让我们振奋。在保卫自己生存的权利时,人类没有一丝迷茫,只是拼尽全力,争取最后的希望。正是生命的不懈与拼搏,彰显着宇宙的活力和生机。


参考资料

[1] 米尔恰·伊利亚德,《神圣的存在——比较宗教的范型》,广西师范大学出版社(2008)

[2] F·霍伊尔,J·纳里卡,《物理天文学前沿》,湖南科学技术出版社(2007)

[3] https://www.cnbeta.com/articles/science/816409.htm

[4] http://tech.qq.com/a/20190206/000751.htm

[5] Dan Maoz, Astrophysics in a Nutshell, Princeton University Press(2016)

[6] https://mp.weixin.qq.com/s/FCpkcb3lN9L-09IQrb4urQ


文中插图来源:《流浪地球》

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5 条评论
评论
  • 郭德胜 6天前

    我有个建议,将这位研究太阳星球的研究者抓过来,研究研究地球,地球的奥秘有可能全部解决。

  • 郭德胜 6天前

    这有一篇解释地球奥秘的文章,要仔细看看了,盆地冲积平原对成煤成矿地质灾害起了决定作用郭德胜 道客巴巴 httpwww.doc88.comp9425604028380.html

  • 郭德胜 6天前

    身临其境的问题搞不清,却能弄清遥不可及的太阳,这出乎了神奇,地球你知多少?思想认识的正确性,是由近而远,请仔细看这篇文章,看懂了,你再去谈太阳,谈火星,

  • 郭德胜 6天前

    知识分子,我们不能违背逻辑学,触手可及的地球奥秘,地震,火山,从由人类以来,至今为有定论,可然而,却对太阳了如指掌的姿势,这是不是在羞辱所有地学研究学者的智商?如果做到对太阳了如指掌,地震,火山岂不早已不是奥秘乎?

  • 杀不死的水熊虫 2019/02/11

    以现在航天技术的发展速度来看,未来300年还是考虑殖民火星较实际点。

《赛先生》微信公众号创刊于2014年7月,创始人为饶毅、鲁白、谢宇三位学者,成为国内首个由知名科学家创办并担任主编的科学传播新媒体平台,共同致力于让科学文化在中国本土扎根。
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