“硬科幻”中的科學(xué)故事
2019-05-21 15:00:26
科學(xué)之友 2019年4期
《流浪地球》講述了一個(gè)發(fā)生在不遠(yuǎn)未來(lái)的故事：太陽(yáng)急劇老化，隨時(shí)都有可能進(jìn)入到紅巨星的膨脹階段，地球也將因此被吞噬。在此危急關(guān)頭，為了地球人的存亡，地球上的聯(lián)合共和國(guó)作出了一項(xiàng)緊急決定，在地球上建造上萬(wàn)座重核聚變行星發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)產(chǎn)生上百萬(wàn)億噸的推力，把地球當(dāng)成一個(gè)龐大的宇宙飛船，駛離現(xiàn)有軌道，駛向距離太陽(yáng)系最近的一顆恒星——比鄰星，從而開(kāi)啟了一段長(zhǎng)達(dá)2 500年的星際旅行。
看完電影的你，是否被影片中氣勢(shì)磅礴的場(chǎng)景所震撼，那再來(lái)聽(tīng)小編講一講電影中涉及到的一些科學(xué)故事，也不失為一件有趣的事。
太陽(yáng)什么時(shí)候會(huì)滅亡
太陽(yáng)誕生于約50億年前的一次星云坍縮，太陽(yáng)系的其他行星緊跟其后。太陽(yáng)提供的能量來(lái)自于其中心氫氣的聚核反應(yīng)，如同大量氫彈在太陽(yáng)內(nèi)部不斷爆炸，按照現(xiàn)有的數(shù)據(jù)估算，這種聚核反應(yīng)總共將持續(xù)約100億年，所以，太陽(yáng)還可以再燃燒50億年左右。
在小說(shuō)《流浪地球》中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)異常，并預(yù)測(cè)太陽(yáng)將進(jìn)入紅巨星膨脹階段，在接下來(lái)的數(shù)百年時(shí)間里淹沒(méi)地球軌道。紅巨星是恒星燃燒到后期所經(jīng)歷的一個(gè)較短的不穩(wěn)定階段。不過(guò)人類(lèi)學(xué)家曾經(jīng)估算過(guò)，因?yàn)橹車(chē)h(huán)境的各種變化，人類(lèi)在地球上還可以存在的時(shí)間大約是200萬(wàn)年。
在某個(gè)時(shí)間，地球在被淹沒(méi)之前就已經(jīng)移到太陽(yáng)系的宜居區(qū)之外，不再適合生命存在，而在那個(gè)時(shí)候，火星將完全進(jìn)入宜居區(qū)。
比鄰星是可能的歸宿嗎
半人馬座比鄰星是除太陽(yáng)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(jì)劃，地球真的流浪到半人馬座比鄰星周?chē)?，那里的環(huán)境會(huì)適合人類(lèi)生存嗎？
根據(jù)哈勃等強(qiáng)大望遠(yuǎn)鏡對(duì)于半人馬座比鄰星的多項(xiàng)觀測(cè)，我們還是可以了解到有關(guān)這個(gè)恒星的不少信息。半人馬座比鄰星質(zhì)量只有太陽(yáng)質(zhì)量的1/7，屬于紅矮星，它的亮度比太陽(yáng)低。
在劉慈欣寫(xiě)《流浪地球》這篇小說(shuō)的1999年，人們并不知道半人馬座比鄰星周?chē)欠裼行行谴嬖?。而?016年年底，歐洲南方天文臺(tái)一個(gè)名為“黯淡紅點(diǎn)”的發(fā)現(xiàn)讓天文學(xué)家和大眾都非常興奮——科學(xué)家們?cè)诎肴笋R座比鄰星周?chē)l(fā)現(xiàn)了一個(gè)和地球非常類(lèi)似的行星，它的質(zhì)量大約是地球質(zhì)量的1.3倍，公轉(zhuǎn)周期為11.2天，位于半人馬座比鄰星的宜居區(qū)當(dāng)中。天文學(xué)家使用了一個(gè)名為“地球相似指數(shù)”的參數(shù)，來(lái)描述這一行星和地球的相似度，“黯淡紅點(diǎn)”的相似指數(shù)高達(dá)86%。
即便如此，這顆行星的某些性質(zhì)與地球仍相差甚遠(yuǎn)。因?yàn)榘肴笋R座比鄰星質(zhì)量遠(yuǎn)低于太陽(yáng)，所以圍繞半人馬座比鄰星的宜居區(qū)也相應(yīng)地更加靠近中心恒星。又因二者非?？拷?，天文學(xué)中非常常見(jiàn)的一種現(xiàn)象便會(huì)出現(xiàn)——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(lèi)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(yuǎn)朝向中心恒星的一面溫度會(huì)很高，而另外一面溫度很低。
在潮汐鎖定之外，還有一個(gè)更為重要的問(wèn)題，那就是中心恒星頻繁的爆發(fā)現(xiàn)象。盡管半人馬座比鄰星質(zhì)量比太陽(yáng)質(zhì)量小，但它的爆發(fā)頻率和釋放出來(lái)的能量要比太陽(yáng)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(lái)殺死病菌的紫外線強(qiáng)度還要高出100倍以上，這對(duì)于行星上的生命來(lái)說(shuō)無(wú)異于一場(chǎng)災(zāi)難。更糟糕的是，一旦潮汐鎖定，根據(jù)現(xiàn)有的理論，行星產(chǎn)生磁場(chǎng)的可能性就會(huì)非常小，如果劇烈的恒星風(fēng)持續(xù)吹來(lái)，即便行星上有大氣，在恒星風(fēng)的作用下也會(huì)逐漸逃逸直至消失殆盡。
基于對(duì)半人馬座比鄰星環(huán)境的以上推測(cè)，半人馬座比鄰星可能并不是一個(gè)非常適合地球流浪的目的地。也許，隨著科技的高速發(fā)展，人類(lèi)還可以找到除太陽(yáng)之外距離地球較近、周?chē)小暗厍蛳嗨浦笖?shù)”較高的宜居區(qū)的另一顆恒星。
人類(lèi)是否能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)
“流浪地球”計(jì)劃的第一步就是讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，盡管在電影中沒(méi)有直接展現(xiàn)這一場(chǎng)景，但是當(dāng)中的旁白有所提及，讓我們先來(lái)看一下讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)是否可以實(shí)現(xiàn)。
我們先來(lái)了解一下地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能量是多少，可以很容易從網(wǎng)絡(luò)上搜索到，是2.24×1029焦耳，這個(gè)能量是非常巨大的。
讓我們做一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比：一顆原子彈釋放出來(lái)的能量差不多相當(dāng)于100萬(wàn)個(gè)TNT當(dāng)量（表示非核爆炸釋放的能量），或者相當(dāng)于4.2×1015焦耳，而歷史上實(shí)驗(yàn)過(guò)的釋放能量最強(qiáng)的大伊萬(wàn)氫彈，釋放的能量差不多是5 000萬(wàn)TNT當(dāng)量，或者就是2.1×1017焦耳。地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能量大約相當(dāng)于1萬(wàn)億（1 012個(gè)大伊萬(wàn)氫彈）同時(shí)爆炸。
不過(guò)或許在不遠(yuǎn)的未來(lái)，人類(lèi)能夠熟練掌握重核聚變能力的話，產(chǎn)生能量的能力將極大提高。按照電影所說(shuō)，每個(gè)行星發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)重核聚變能夠產(chǎn)生150萬(wàn)億噸的推力。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算我們可以推論，這樣一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)如果能夠在赤道上持續(xù)不斷地產(chǎn)生反推力，那么也需要21 857天（大約60年）的時(shí)間才能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
不過(guò)按照電影所言，人類(lèi)制造了10 000個(gè)這樣的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，其中一部分是位于赤道之上用于減速的，如果數(shù)量可以達(dá)到100個(gè)左右的話，那么就可以在相對(duì)比較短的時(shí)間停止地球轉(zhuǎn)動(dòng)。這在理論上是可能的，不過(guò)實(shí)現(xiàn)的難度也不算小。
一旦地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，將會(huì)發(fā)生什么
最直接的一個(gè)效應(yīng)就是，地球沒(méi)有了轉(zhuǎn)動(dòng)，地球上幾乎所有的大陸都會(huì)被海洋所淹沒(méi)。原因很簡(jiǎn)單，在地球轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，因?yàn)殡x心力的緣故，作為液態(tài)的海洋會(huì)朝向赤道附近聚集，所以一旦地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這些水會(huì)向兩極流動(dòng)，從而造成大陸被淹沒(méi)。在電影當(dāng)中，人類(lèi)移居到了地下生活。
那么人類(lèi)還有可能在地球表面生存嗎？根據(jù)美國(guó)ESRI公司的動(dòng)畫(huà)模擬，最終幾乎所有的大陸都會(huì)被淹沒(méi)，只剩下赤道附近的一圈超級(jí)大陸凸顯出來(lái)。值得指出的是，即使是赤道附近的唯一大陸，也充滿了危險(xiǎn)。在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，同樣是因?yàn)殡x心力的作用，地球的赤道地殼會(huì)顯得更為突出一點(diǎn)，然而在沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，赤道附近缺少離心力，所以很可能會(huì)導(dǎo)致板塊坍縮，從而引發(fā)一系列的全球地震或者海嘯。
因?yàn)闆](méi)有了轉(zhuǎn)動(dòng)，地球?qū)?huì)有固定的一面朝向太陽(yáng)，另外一面將一直處于黑夜當(dāng)中，就仿佛我們?cè)谀蠘O或者北極所經(jīng)歷的極晝或者極夜那樣。電影中的中國(guó)救援隊(duì)長(zhǎng)在地球表面運(yùn)送行星發(fā)動(dòng)機(jī)救援修復(fù)設(shè)備時(shí)，也提到了穿越極夜區(qū)。盡管有地球大氣的存在，但是遠(yuǎn)離太陽(yáng)的一面，還是會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期得不到太陽(yáng)的照射，從而溫度變得很低，不太適合生命的存在。
為什么“流浪地球”要駛?cè)肽拘侵車(chē)?/h3>
整部電影所展現(xiàn)的一個(gè)主題就是如何擺脫木星的“剛體洛希極限”點(diǎn)。這里我們需要先明白地球駛?cè)肽拘侵車(chē)脑颉?/p>
木星引力是如此之強(qiáng)，為何地球不躲著木星行駛？其實(shí)在電影當(dāng)中，聯(lián)合共和國(guó)政府本來(lái)想通過(guò)一種叫作“引力彈弓”的效應(yīng)，使用木星對(duì)地球進(jìn)行加速，沒(méi)想到部分行星發(fā)動(dòng)機(jī)失效，導(dǎo)致地球被木星吸引而逐漸進(jìn)入木星的“剛體洛希極限”，出現(xiàn)了電影當(dāng)中所呈現(xiàn)的災(zāi)難。其實(shí)引力彈弓效應(yīng)在探測(cè)器飛行中被廣泛使用，通常被當(dāng)作一種節(jié)省能源的加速方式，“旅行者一號(hào)”探測(cè)器就是利用木星和土星兩次引力加速，才得以逃出太陽(yáng)系。
這個(gè)效應(yīng)的原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樾行潜旧硪苍趪@太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以當(dāng)行星吸引探測(cè)器或者其他天體的同時(shí)，就實(shí)際上賦予了探測(cè)器或者其他天體一部分速度，當(dāng)探測(cè)器或者其他天體逃離出去的時(shí)候，就相當(dāng)于被加速了。
我們可以舉一個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)似例子來(lái)理解。如果我們站在靜止的地面上向運(yùn)動(dòng)的火車(chē)頂上扔一個(gè)網(wǎng)球，在網(wǎng)球被彈起來(lái)的時(shí)候，地面上靜止的人看到網(wǎng)球的速度，其實(shí)就是火車(chē)速度和網(wǎng)球原來(lái)速度的疊加。所以當(dāng)天體從某個(gè)行星周?chē)与x的時(shí)候，其實(shí)就是本來(lái)的速度和天體速度的疊加。
“流浪地球”，這個(gè)大膽而美麗的想象值得我們向往。作為中國(guó)第一部科幻大片，《流浪地球》帶給我們很多欣喜。中國(guó)的科幻電影之路，也如中國(guó)的科學(xué)發(fā)展之路，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，還需大家的共同努力。
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