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《流浪地球》里的科学故事

来源:咸宁网 时间:2019-02-15 11:02

新 闻 背 景

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大年初一,中国科幻电影《流浪地球》登陆各大影院,在竞争激烈的春节档  期收获票房冠军。电影根据刘慈欣同名科幻小说改编而来,讲述了一个发生在  不远未来的故事:太阳急剧老化,随时都有可能进入到红巨星的膨胀阶段,地球  也将因此被吞噬。在此危急关头,为了地球人的存亡,联合共和国作出了一项  紧急决定,在地球上建造上万座重核聚变行星发动机,每个产生上百万亿吨的  推力,把地球变成一个庞大的宇宙飞船,驶离现有轨道,驶向距离太阳系最近的  一颗恒星——比邻星,从而开启了一段长达2500年的星际旅行。  

今天,我们就电影中涉及到的一些科学故事来聊一聊,也不失为一件有趣  的事。

太阳什么时候会灭亡?

太阳诞生于约 50 亿年前的一次星云  坍缩,太阳系的其它行星紧跟其后。太阳  提供的能量来自于其中心氢气的聚核反  应,如同大量氢弹在太阳内部不断爆炸,按  照现有的数据估算,这种聚核反应总共将  持续约100亿年,所以,太阳还可以再燃烧  50亿年左右。  

在小说《流浪地球》中,科学家发现太  阳异常,并预测太阳将进入红巨星膨胀阶  段,在接下来的数百年时间里淹没地球轨  道。红巨星是恒星燃烧到后期所经历的一  个较短的不稳定阶段。不过人类学家曾经  估算过,因为周围环境的各种变化,人类在  地球上还可以存在的时间大约是 200 万  年。而物理学家霍金曾经更为悲观,因为  人类使用能源的没有效率,预言几百年后  就需要考虑离开地球。  

在某个时间,地球在被淹没之前就已  经移到太阳系的宜居区之外,不再适合生  命存在,反而在那个时候,火星将完全进入  宜居区。

比邻星是可能的归宿吗?

半人马座比邻星是除太阳之外距离地  球最近的一颗恒星,距离我们4.2光年。如  果真的有“流浪地球”计划,地球真的流浪  到半人马座比邻星周围,那里的环境适合  人类生存吗?  

根据哈勃等强大望远镜对于半人马座  比邻星的多项观测,我们还是可以了解到  有关这个恒星的不少信息。半人马座比邻  星质量只有太阳质量的七分之一,属于红  矮星,它的亮度比太阳低。  

在刘慈欣写《流浪地球》这篇小说的  1999年,人们并不知道半人马座比邻星周  围是否有行星存在。而在2016年年底,欧  洲南方天文台一个名为“黯淡红点”的发现  让天文学家和大众都非常兴奋——科学家  们在半人马座比邻星周围发现了一个和地  球非常类似的行星,它的质量大约是地球  质量的1.3 倍,公转周期为11.2 天,位于半  人马座比邻星的宜居区当中。天文学家使  用了一个名为“地球相似指数”的参数,来  描述这一行星和地球的相似度,“黯淡红  点”的相似指数高达86%。  

即便如此,这颗行星的某些性质与地球  仍相差甚远。因为半人马座比邻星质量远  低于太阳,所以围绕半人马座比邻星的宜居  区也相应地更加靠近中心恒星。又因二者  非常靠近,天文学中非常常见的一种现象便  会出现——潮汐锁定。潮汐锁定使得行星  只有一面朝向中心恒星。在某种程度上,这  类似于我们熟悉的月亮,我们只能看到月球  的一面。所以,行星永远朝向中心恒星的一  面温度会很高,而另外一面温度很低。 

在潮汐锁定之外,还有一个更为重要  的问题,那就是中心恒星频繁的爆发现  象。尽管半人马座比邻星质量比太阳质量  小,但它的爆发频率和释放出来的能量要  比太阳大得多。半人马座比邻星的行星上  所接收到的紫外辐射,比地球上用来杀死  病菌的紫外线强度还要高出 100 倍以上,  这对于行星上的生命来说无异于一场灾  难。更糟糕的是,一旦潮汐锁定,根据现有  的理论,行星产生磁场的可能性就会非常  小,如果剧烈的恒星风持续吹来,即便行星  上有大气,在恒星风的作用下也会逐渐逃  逸直至消失殆尽。  

基于对半人马座比邻星环境的以上推  测,半人马座比邻星可能并不是一个非常  适合地球流浪的目的地。也许,随着科技  的高速发展,人类还可以找到除太阳之外  距离地球较近、周围有“地球相似指数”较  高的宜居区的另一颗恒星。

人类是否能够让地球停止转动?

在“流浪地球”计划中的第一步就是让地球停止转动,尽管在电影中没有直接展  现这一场景,但是电影当中的旁白中有所  提及,让我们就先来看一下这个停止转动  是否可以实现。  

我们先来了解一下地球的转动能量是  多少,可以很容易从网络上搜索到,是  2.24×1029焦耳,这个能量是非常巨大的。  

让我们做一个简单的对比:一颗原子  弹释放出来的能量差不多相当于1百万个TNT当量,或者相当于4.2×1015焦耳,而  历史上实验过的释放能量最强的大伊万氢  弹,释放的能量差不多是 5000 万 TNT 当  量,或者就是2.1×1017焦耳。地球的转动  能量大约相当于1万亿(1012)个大伊万氢  弹同时爆炸。  

不过或许在不远的未来,人类能够熟  练掌握了重核聚变能力的话,产生能量的  能力将极大提高。按照电影所说,每个行星发动机通过重核聚变能够产生150万亿  吨的推力。通过简单计算我们可以推论,  这样一台发动机如果能够在赤道上持续不  断地产生反推力,那么也需要21857天(大  约60年)的时间才能够让地球停止转动。  

不过按照电影所言,人类制造了一万  个这样的行星发动机,其中一部分是位于  赤道之上用于减速的,如果数量可以达到  100 个左右的话,那么就可以在相对比较  短的时间停止地球转动。这在理论上是可  能的,不过实现的难度也不算小。

一旦地球停止转动,将会发生什么?

最直接的一个效应就是,没有了转动,  目前地球上几乎所有的大陆都会被海洋所  淹没,这一点在电影当中有所提及。原因  很简单,在地球转动的时候,因为离心力的  缘故,作为液态的海洋会朝向赤道附近聚  集,所以一旦地球停止转动,这些水会向两  极流动,从而造成大陆被淹没。在电影当  中,人类移居到了地下生活。那么人类有可能还在地球表面生存  吗?根据美国ESRI公司的动画模拟,最终  几乎所有的大陆都会被淹没,只剩下赤道  附近的一圈超级大陆凸显出来。值得指出  的是,即使这赤道附近的唯一大陆,也是充  满了很多危险。在转动的时候,同样是因  为离心力的作用,地球的赤道地壳会显得  更为突出一点,然而在没有转动的时候,赤  道附近缺少离心力,所以很可能会导致板  块坍缩,从而引发一系列的全球地震或者  海啸。 

而且,因为没有了转动,所以地球将会  有固定的一面朝向太阳,另外一面将一直  处于黑夜当中,就仿佛我们在南极或者北  极所经历的极昼或者极夜那样。电影中的  中国救援队长在地球表面运送行星发动机  救援修复设备时,也提到了穿越极夜区。  尽管有地球大气的存在,但是远离太阳的  一面,还是会因为长期得不到太阳的照射,  从而温度变得很低,不太适合生命的存在。

为什么流浪地球要驶入木星周围?

整部电影所展现的一个主题就是如何  摆脱木星的“刚体洛希极限”点。这里我们  需要先明白地球驶入木星周围的原因。  

木星引力是如此之强,为何地球不躲  着木星行驶?其实在电影当中,联合共和  国政府本来想通过一种叫作“引力弹弓”的  效应,使用木星对地球进行加速,没想到部  分行星发动机失效,导致地球被木星吸引  而逐渐进入木星的“刚体洛希极限”,出现  了电影当中所呈现的灾难。其实引力弹弓  效应在探测器飞行中被广泛使用,通常被  当作一种节省能源的加速方式,“旅行者一  号”探测器就是利用木星和土星两次引力  加速,才得以逃出太阳系。  

这个效应的原理其实非常简单,因为  行星本身也在围绕太阳转动,所以当行星  吸引探测器或者其它天体的同时,就实际  上赋予了探测器或者其它天体一部分速  度,当探测器或者其它天体逃离出去的时  候,就相当于被加速了。我们可以举一个  简单的类似例子来理解。  

如果我们站在静止的地面上向运动  的火车顶上扔一个网球,在网球被弹起来  的时候,地面上静止的人看到网球的速  度,其实就是火车速度和网球原来速度的  叠加。所以当天体从某个行星周围逃离  的时候,其实就是本来的速度和天体速度  的叠加。  

“流浪地球”,这个大胆而美丽的想象  值得我们向往。作为中国第一部科幻大  片,《流浪地球》带给我们很多欣喜。中国  的科幻电影之路,也如中国的科学发展  之路,路漫漫其修远兮,还需大家的共同  努力。 (本报综合)



编辑:chenguo

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