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《流浪地球》裏的科學故事:太陽什麼時候會滅亡?

2019年02月13日 09:49:00來源:北京日報

  《流浪地球》裏的科學故事  

  大年初一,中國科幻電影《流浪地球》登陸各大影院,在競爭激烈的春節檔期收穫票房冠軍。電影根據劉慈欣同名科幻小説改編而來,講述了一個發生在不遠未來的故事:太陽急劇老化,隨時都有可能進入到紅巨星的膨脹階段,地球也將因此被吞噬。在此危急關頭,為了地球人的存亡,地球上的聯合共和國作出了一項緊急決定,在地球上建造上萬座重核聚變行星發動機,每個産生上百萬億噸的推力,把地球當成一個龐大的宇宙飛船,駛離現有軌道,駛向距離太陽系最近的一顆恒星——比鄰星,從而開啟了一段長達2500年的星際旅行。

  今天,我們就電影中涉及到的一些科學故事來聊一聊,也不失為一件有趣的事。

  太陽什麼時候會滅亡?

  太陽誕生於約50億年前的一次星雲坍縮,太陽系的其他行星緊跟其後。太陽提供的能量來自於其中心氫氣的聚核反應,如同大量氫彈在太陽內部不斷爆炸,按照現有的數據估算,這種聚核反應總共將持續約100億年,所以,太陽還可以再燃燒50億年左右。

  在小説《流浪地球》中,科學家發現太陽異常,並預測太陽將進入紅巨星膨脹階段,在接下來的數百年時間裏淹沒地球軌道。紅巨星是恒星燃燒到後期所經歷的一個較短的不穩定階段。不過人類學家曾經估算過,因為周圍環境的各種變化,人類在地球上還可以存在的時間大約是200萬年。而物理學家霍金曾經更為悲觀,因為人類使用能源的沒有效率,預言幾百年後就需要考慮離開地球。

  在某個時間,地球在被淹沒之前就已經移到太陽系的宜居區之外,不再適合生命存在,反而在那個時候,火星將完全進入宜居區。

  比鄰星是可能的歸宿嗎?

  半人馬座比鄰星是除太陽之外距離地球最近的一顆恒星,距離我們4.2光年。如果真的有“流浪地球”計劃,地球真的流浪到半人馬座比鄰星周圍,那裏的環境適合人類生存嗎?

  根據哈勃等強大望遠鏡對於半人馬座比鄰星的多項觀測,我們還是可以了解到有關這個恒星的不少資訊。半人馬座比鄰星品質只有太陽品質的七分之一,屬於紅矮星,它的亮度比太陽低。

  在劉慈欣寫《流浪地球》這篇小説的1999年,人們並不知道半人馬座比鄰星周圍是否有行星存在。而在2016年年底,歐洲南方天文臺一個名為“黯淡紅點”的發現讓天文學家和大眾都非常興奮——科學家們在半人馬座比鄰星周圍發現了一個和地球非常類似的行星,它的品質大約是地球品質的1.3倍,公轉週期為11.2天,位於半人馬座比鄰星的宜居區當中。天文學家使用了一個名為“地球相似指數”的參數,來描述這一行星和地球的相似度,“黯淡紅點”的相似指數高達86%。

  即便如此,這顆行星的某些性質與地球仍相差甚遠。因為半人馬座比鄰星品質遠低於太陽,所以圍繞半人馬座比鄰星的宜居區也相應地更加靠近中心恒星。又因二者非常靠近,天文學中非常常見的一種現象便會出現——潮汐鎖定。潮汐鎖定使得行星只有一面朝向中心恒星。在某種程度上,這類似于我們熟悉的月亮,我們只能看到月球的一面。所以,行星永遠朝向中心恒星的一面溫度會很高,而另外一面溫度很低。

  在潮汐鎖定之外,還有一個更為重要的問題,那就是中心恒星頻繁的爆發現象。儘管半人馬座比鄰星品質比太陽品質小,但它的爆發頻率和釋放出來的能量要比太陽大得多。半人馬座比鄰星的行星上所接收到的紫外輻射,比地球上用來殺死病菌的紫外線強度還要高出100倍以上,這對於行星上的生命來説無異於一場災難。更糟糕的是,一旦潮汐鎖定,根據現有的理論,行星産生磁場的可能性就會非常小,如果劇烈的恒星風持續吹來,即便行星上有大氣,在恒星風的作用下也會逐漸逃逸直至消失殆盡。

  基於對半人馬座比鄰星環境的以上推測,半人馬座比鄰星可能並不是一個非常適合地球流浪的目的地。也許,隨著科技的高速發展,人類還可以找到除太陽之外距離地球較近、周圍有“地球相似指數”較高的宜居區的另一顆恒星。

  人類是否能夠讓地球停止轉動?

  在“流浪地球”計劃中的第一步就是讓地球停止轉動,儘管在電影中沒有直接展現這一場景,但是電影當中的旁白中有所提及,讓我們就先來看一下這個停止轉動是否可以實現。

  我們先來了解一下地球的轉動能量是多少,可以很容易從網路上搜索到,是2.24×1029焦耳,這個能量是非常巨大的。

  讓我們做一個簡單的對比:一顆原子彈釋放出來的能量差不多相當於1百萬個TNT當量,或者相當於4.2×1015焦耳,而歷史上實驗過的釋放能量最強的大伊萬氫彈,釋放的能量差不多是5000萬TNT當量,或者就是2.1×1017焦耳。地球的轉動能量大約相當於1萬億(1012)個大伊萬氫彈同時爆炸。

  不過或許在不遠的未來,人類能夠熟練掌握了重核聚變能力的話,産生能量的能力將極大提高。按照電影所説,每個行星發動機通過重核聚變能夠産生150萬億噸的推力。通過簡單計算我們可以推論,這樣一台發動機如果能夠在赤道上持續不斷地産生反推力,那麼也需要21857天(大約60年)的時間才能夠讓地球停止轉動。

  不過按照電影所言,人類製造了一萬個這樣的行星發動機,其中一部分是位於赤道之上用於減速的,如果數量可以達到100個左右的話,那麼就可以在相對比較短的時間停止地球轉動。這在理論上是可能的,不過實現的難度也不算小。

  一旦地球停止轉動,將會發生什麼?

  最直接的一個效應就是,沒有了轉動,目前地球上幾乎所有的大陸都會被海洋所淹沒,這一點在電影當中有所提及。原因很簡單,在地球轉動的時候,因為離心力的緣故,作為液態的海洋會朝向赤道附近聚集,所以一旦地球停止轉動,這些水會向兩極流動,從而造成大陸被淹沒。在電影當中,人類移居到了地下生活。

  那麼人類有可能還在地球表面生存嗎?根據美國ESRI公司的動畫模擬,最終幾乎所有的大陸都會被淹沒,只剩下赤道附近的一圈超級大陸凸顯出來。值得指出的是,即使這赤道附近的唯一大陸,也是充滿了很多危險。在轉動的時候,同樣是因為離心力的作用,地球的赤道地殼會顯得更為突出一點,然而在沒有轉動的時候,赤道附近缺少離心力,所以很可能會導致板塊坍縮,從而引發一系列的全球地震或者海嘯。

  而且,因為沒有了轉動,所以地球將會有固定的一面朝向太陽,另外一面將一直處於黑夜當中,就仿佛我們在南極或者北極所經歷的極晝或者極夜那樣。電影中的中國救援隊長在地球表面運送行星發動機救援修復設備時,也提到了穿越極夜區。儘管有地球大氣的存在,但是遠離太陽的一面,還是會因為長期得不到太陽的照射,從而溫度變得很低,不太適合生命的存在。

  為什麼流浪地球要駛入木星周圍?

  整部電影所展現的一個主題就是如何擺脫木星的“剛體洛希極限”點。這裡我們需要先明白地球駛入木星周圍的原因。

  木星引力是如此之強,為何地球不躲著木星行駛?其實在電影當中,聯合共和國政府本來想通過一種叫作“引力彈弓”的效應,使用木星對地球進行加速,沒想到部分行星發動機失效,導致地球被木星吸引而逐漸進入木星的“剛體洛希極限”,出現了電影當中所呈現的災難。其實引力彈弓效應在探測器飛行中被廣泛使用,通常被當作一種節省能源的加速方式,“旅行者一號”探測器就是利用木星和土星兩次引力加速,才得以逃出太陽系。

  這個效應的原理其實非常簡單,因為行星本身也在圍繞太陽轉動,所以當行星吸引探測器或者其他天體的同時,就實際上賦予了探測器或者其他天體一部分速度,當探測器或者其他天體逃離出去的時候,就相當於被加速了。我們可以舉一個簡單的類似例子來理解。

  如果我們站在靜止的地面上向運動的火車頂上扔一個網球,在網球被彈起來的時候,地面上靜止的人看到網球的速度,其實就是火車速度和網球原來速度的疊加。所以當天體從某個行星周圍逃離的時候,其實就是本來的速度和天體速度的疊加。

  “流浪地球”,這個大膽而美麗的想像值得我們嚮往。作為中國第一部科幻大片,《流浪地球》帶給我們很多欣喜。中國的科幻電影之路,也如中國的科學發展之路,路漫漫其修遠兮,還需大家的共同努力。(茍利軍 中科院國家天文臺研究員;黃月 媒體人)

[責任編輯:楊永青]

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