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《流浪地球》里的科学故事
2019年02月13日 15:55 来源: 北京日报 编辑: 江金艳

新闻背景

  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,地球上的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,把地球当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。(苟利军 中科院国家天文台研究员;黄月 媒体人)

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