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流浪地球:物理规律不阻止推动地球,但比邻星并非理想家园

2019-02-09 07:32:00    今日必看

牛顿第三定律告诉我们:如果你向后抛出一些东西,你就会获得向前运动的加速度。如果地球想要逃离太阳,它需要向前进的反方向抛弃自己一部分的质量。

文/ 李然 国家天文台星云计划研究员

流浪地球:物理规律不阻止推动地球,但比邻星并非理想家园

在大众看来,科学家往往不是好的科幻电影观众,他们会太过注意影片中的科学细节,而不能享受故事的乐趣。但我要为此辩护一句,除去电影院,科学家有多少机会去观察一个未来的世界呢?更何况,只有优秀的科幻电影才会引人思考背后的科学问题,蹩脚的科幻电影不过是蹩脚的电影而已,而《流浪地球》毫无疑问是会引起科学工作者思考的有趣影片。在观看电影的过程中,我试着将自己当作一个“电影宇宙”的观察者,思考《流浪地球》宇宙观中的科学问题。下面我想和大家分享一下我对《流浪地球》中几个科学问题的思考。

一、太阳的变化

在电影《流浪地球》中,太阳亮度的增加是地球不得不背井离乡,远遁太空的原因,但现实世界中的太阳,真的会发生这样的变化吗?

绝大多数人可能从未想过,有一天太阳会改变。在过去的46亿年里,太阳一直持续稳定地为地球提供能量。这种能量来自于太阳核心发生的氢元素聚变反应——每4个氢原子核通过一系列的中间反应最终形成1个氦原子核。而1个氦原子的质量略小于4个氢原子之和,这中间的质量差别按照爱因斯坦的质能方程E=mc2, 转化成了太阳的能量。这些能量中的绝大部分以光的形式发出,剩下的则由中微子携带。每一秒钟太阳会将六亿吨的氢原子转化为氦原子,产生的能量中有极其微小的一部分被地球接收到,供给地球上的生命所需。

流浪地球:物理规律不阻止推动地球,但比邻星并非理想家园

太阳上的核聚变为地球提供能量;图片来自网络

太阳自身有非常稳定的调节机制,保证光热的稳定输出:如果太阳内部的热核聚变反应因为某种原因略微加速,就会引起内部温度升高。这种升温会使得太阳整体微微地膨胀,从而使得核心温度和压力回复正常。对于太阳来说,这种调节在很短的时间里就可以完成。太阳自身发光的不稳定程度只有大约千分之一,造成的影响远远小于不同季节带来的差别。宇宙中相当多的恒星做不到像太阳这样稳定的调节,例如,我们熟知的猎户座第二亮星——参宿四就会因为不断地进行膨胀收缩,而在数百天时间里亮度变化超过2倍。

在过去的40亿年里,太阳的整体亮度上升了大约20%。这种变化对于地球的生命演化产生了重要的影响,但是,在一个单一物种存续的时间(百万年到千万年)里,太阳的变化不会产生显著效应。如果太阳按照物理规律演化,那么在未来的10亿年里,太阳的能量输出将上升10%,这可能会引发地球上失控的温室效应。但这是非常长的时间尺度,在这之前人类自己引发的全球变暖就会造成严重的影响。

流浪地球:物理规律不阻止推动地球,但比邻星并非理想家园

太阳自身有非常稳定的温度调节机制,在一个单一物种的存续时间里,其整体亮度都不会产生显著变化;图片来自网络

在《流浪地球》的原著中,科学家观察到太阳核心的演化加速了,并且在地球逃离到木星附近时就已转变成为了一颗红巨星,完全吞噬了金星和水星。从天文学的角度来看,太阳确实会在未来的某个时刻开始向红巨星转化。这是因为太阳核心的氢元素在聚变燃烧后会转化为暂时无法聚变的氦元素,沉积在太阳中心,形成一个致密的核。当这个致密的核变大,原本在太阳核心发生的氢核聚变燃烧,就转变为在致密的氦核之外发生。这种转变会使得太阳失去稳定性调节机制,能量产出不断增加,并且体积开始膨胀,变得更红。天文学上称处于这个阶段的恒星为“红巨星”。在这种演化的末期,红巨星中心积累了足够高的温度,最终会使得氦构成的核心开始聚变,失控的氦核心燃烧会在数秒的短暂时间内释放出巨大的能量,这被称作“氦闪”。

在原著中,太阳一直没有发生明显可见的变化,直到氦闪发生。地球之所以迫切需要逃离也是因为要躲避“氦闪”。但在实际的恒星演化图景中,氦闪仅仅是太阳在第一次红巨星演化的终点,早在氦闪发生之前,太阳就已经变成了非常巨大并且灼热的红巨星了。氦闪因为发生在太阳核心,实际上地球上的观察者也并不会看到像原著一样震撼的爆发现象。在电影版《流浪地球》中,太阳的变化已经不像原著中那样戏剧化,变得较为和缓。

流浪地球:物理规律不阻止推动地球,但比邻星并非理想家园

实际上在氦闪发生之前,太阳就已经变成非常巨大并且灼热的红巨星了,地球上的观察者也并不会看到像原著一样震撼的爆发现象;图片来自网络

不过,请大家务必放心,天文学家目前对于太阳这样质量的单独恒星演化了解得相当清楚,无论从理论上还是观测上,都不支持太阳会在未来的数百年里发生电影中那样的变化。由人类自己造成的全球变暖问题可能才是现实中地球最大的危机。

二、推进地球的动力

在《流浪地球》的故事中,地球的旅途分为四个阶段。首先,通过转向引擎,使得地球停止自转;第二步,地球的推进引擎启动,地球开始脱离自身的轨道。因为推进引擎只能提供很小的加速度,地球在逃离太阳之前仍然会绕着太阳转很多圈,逐步地改变轨道的形状,从圆形轨道变成一个扁扁的椭圆轨道,最终逃离太阳的引力束缚,飞向太空;第三步,地球会用500年时间加速到光速的千分之五,也就是1500公里/秒的速度。地球会用这个速度滑行1300年;第四步,在接近目的地时,地球会用另一个500年减速,泊入新的太阳的轨道。这个新的太阳就是距离太阳最近的恒星——4.2光年之外的比邻星。整个过程持续大约2500年。

流浪地球:物理规律不阻止推动地球,但比邻星并非理想家园

“流浪地球”的旅途分为四个阶段:停止自转、脱离太阳引力、加速和滑行、减速泊靠;图片来自网络

牛顿第三定律告诉我们:如果你向后抛出一些东西,你就会获得向前运动的加速度。如果地球想要逃离太阳,它需要向前进的反方向抛弃自己一部分的质量。这些被抛弃的物质在被抛出时相对地球的速度越快,地球获得的前进加速度也越多。

虽然流浪地球的最快速度只有光速的千分之五,但对于人类目前的技术能力,依然是一个艰巨的挑战。人类目前最快的宇宙飞船,旅行者1号当前的速度大约是17公里/秒。流浪地球的最终速度会是旅行者1号的90倍。考虑到《流浪地球》故事开始的年代距离今天不远,在人类已经进行概念设计的未来火箭能源中,最为可能在《流浪地球》时代实现的是核动力引擎。

在第二次世界大战结束后不久,美国核物理学家乌拉姆曾提出一个大胆的飞船设想——利用原子弹产生的威力推进飞船前进。在这个蓝图中,太空飞船实际上是向后放出一系列氢弹,让它们在太空中爆炸。在此基础上,泰德·泰勒和弗里曼·戴森提出了著名的猎户座计划。只要带上一些原子弹,人类就可以很容易地将巨大的飞船送到火星。而之后由英国人提出的代达罗斯计划更加宏伟,以氢聚变为能量源,飞船可以在50年的时间里将人类送到临近的恒星——巴纳德。在代达罗斯计划的蓝图中,飞船将携带超过5万吨的氦3和氘作为燃料,将一个大约500吨的飞船送到另一颗恒星。考虑到地球上很难收集到如此多的氦3和氘,代达罗斯计划的设计者们实际上希望在月球或者木星上开采这些燃料。

流浪地球:物理规律不阻止推动地球,但比邻星并非理想家园

月球上有丰富的氦3,可以作为星际飞船的核燃料;图片来自网络

对于推进流浪地球来说,要想收集到足够推进整个地球的氦3和氘则更加困难。影片实际上提到流浪地球的推进引擎的能量来源是“重元素聚变”。是的,不仅仅是轻元素可以聚变,事实上,在恒星演化晚期,碳、氮、氧、硅等元素也可以通过核聚变转化为更重的元素,并释放能量。对地球来说,最好的燃料应该是氧和硅,它们加起来占了地壳质量的74%。所以在影片中,我们看到燃料采集车直接挖取山石。在影片的科学设定下,这些山石可能只需要简单的处理就可以作为引擎的核聚变燃料。

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