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流浪地球中的科学问题

流浪地球中的科学问题

科学

《流浪地球》中的科学问题

The Wandering Earth


Q
1. 太阳会爆炸吗?

恒星其实也像人类一样,有出生、成长、壮年、衰老和死亡,这个过程就是恒星的演化。

宇宙中散落着很多星际物质,主要是氢和氦,以及少数的重元素。它们之间存在万有引力,会一点点聚集,形成一个大质量的核,这个过程中引力势能逐渐释放,核心温度越来越高,压强越来越大。一旦核心的温度和压强达到了某个条件,就会引发氢的聚变,星球就开始发光发热,一颗恒星就诞生了。

原恒星

在相当长的一段时间里,聚变产生的向外压力和引力产生的向内的收缩力彼此平衡,核反应可以缓慢而平稳的进行,这个阶段的恒星叫做主序星。我们的太阳就处于这个阶段。

可是,当氢燃料消耗殆尽的时候,聚变反应无法对抗恒星的引力,恒星的核心部位会发生收缩,它的温度会升高,反而让反应变得更加剧烈,整个恒星亮度会变为原来的1000到10000倍。于此同时,由于一些复杂的物理过程,会让恒星的体积发生膨胀,这就是红巨星。50亿年后,太阳会变为红巨星,太阳的边缘会到达地球轨道所在的位置,从而让地球不适合人类生存。

太阳和开普勒空间望远镜探测到的红巨星比较

而且,红巨星阶段,恒星核心温度持续上升,当温度上升到1亿至2亿度的时候,会发生更强烈的热失控,氢聚变成的氦会再次聚变成碳,在一两分钟的时间内释放出极其强大的能量,摧毁太阳系内的一切行星,这就是氦闪,也是小说《流浪地球》最后描述的灾难性场景。

氦闪


Q
2. 人类为什么要飞往比邻星?

距离太阳最近的恒星系统就是南门二(半人马座α),它是由三颗恒星组成的,小说《三体》中三体人也居住在这个星系。

南门二的三颗恒星

三颗恒星中距离地球最近的就是比邻星,与地球有4.2光年远。相比于其他恒星动辄几千上万光年远,比邻星还真是地球的邻居。

比邻星

而且,比邻星是一颗红矮星,它的寿命非常长,可能达到上千亿年,相比而言,太阳只有一百亿年的寿命。如果流浪地球计划成功,地球泊入比邻星,可能就一劳永逸了。


Q
3. 地球为什么要靠近木星?

如果你朝一列飞驰的火车扔皮球,皮球反弹的时候速度会变快,这是因为火车给了皮球一些能量,这就是弹弓效应。

同样,如果让地球以特定的方向靠近木星,依靠木星的引力转向,再远离木星,地球就可以加速,这就是引力弹弓效应,它的效率远高于火箭推进器。

引力弹弓是人类早已掌握的空间技术。1977年NASA发射了旅行者一号,依次经过木星、土星、天王星和海王星的引力弹弓加速,成了距离地球最远的航天器。此外,伽利略号、卡西尼号、信使号、尤里西斯号等空间探测器都用到了引力弹弓效应,这种效应在空间技术中越来越普遍。甚至有人把引力弹弓称作是“宇宙中的高速公路”。

旅行者一号利用引力弹弓的加速过程

1990年,旅行者一号拍了一张太阳系全家福,地球不过是一个暗淡的蓝点,人类千万年的王朝更替,璀璨的文明和无数的先贤智者, 也不过都发生在这一粒宇宙的尘埃之上。


Q
4. 洛希极限是怎么回事?

在小说中并未提到洛希极限,在电影中,编剧增加了一个情节:地球靠近木星的时候,由于进入了木星的洛希极限,地球即将被撕碎。这样的事会发生吗?

在月亮围绕地球旋转时,月亮会受到地球的万有引力和惯性离心力的作用,这两个力方向相反,它们的合力叫做潮汐力。在潮汐力的作用下,月亮会被稍稍拉长,这叫做潮汐隆起。

月球表面的潮汐力分布

假如月球太靠近地球,表面处的潮汐力超过了自身的万有引力,月球就会散掉,这个最近的距离就称为洛希极限,是法国天文学家洛希提出的。

进入洛希极限的过程

其实,许多大天体和小天体之间都存在洛希极限,洛希极限的数值和大天体的半径、两个天体的密度都有关系。因为进入洛希极限而被撕碎的例子很多,例如土星光环就因为一颗小行星进入了土星的洛希极限,潮汐力将小行星撕碎形成的。

土星光环

可惜的是,洛希极限是《流浪地球1》非常严重的BUG。地球-木星的刚体洛希极限是5.5万公里,流体洛希极限是10.5万公里,而木星的半径是7万公里。也就是说:在地球撞上木星之前,都不会进入刚体洛希极限,地球不会被撕碎。

可是,人工智能MOSS给出的洛希极限分别是89万公里和171万公里,都远远大于木星的半径,这才造成了木星危机。

电影截图

实际上,影片错把太阳-木星的洛希极限值当作了木星–地球的洛希极限值,以下是wiki百科给出的各种天体洛希极限值。看起来,MOSS是真的想叛变。

各种天体之间的洛希极限


Q
5. 行星发动机能推动地球吗?

在小说和电影中,人类建造了12000台行星发动机,每台行星发动机可以提供150亿吨的推力,希望地球在500年的时间里达到光速的千分之五。现实中这可行吗?

我们只需要用中学时候学过的牛顿第二定律和运动学公式就可以了。根据牛顿第二定律,如果所有的推力集中在同一方向,那么地球的加速度为

然后,根据运动学公式,加速到光速的千分之五,需要的时间是

也就是说,假如一切正常,大约也需要16万年才能加速到光速的千分之五,而这时地球早都飞过比邻星了。注意:这里并不需要考虑引力弹弓效应的加速,因为引力弹弓最多只能把地球加速到几十千米每秒,而光速的千分之五是1500km/s.


Q
6. 地球停止自转会发生什么?

在小说和电影中,流浪地球的第一步是刹车,就是利用赤道处的行星发动机让地球停止自转,这时会发生什么?

由于地球自转所产生的惯性离心力,海水会向赤道聚集,赤道处的海平面会比其他位置高。停止自转之后,赤道处的海水涌向两极,造成赤道处海平面降低,南北半球海平面升高,淹没沿海城市。

同时,由于海平面的变化,会造成地壳应力结构变化,引发全球范围的大地震。


Q
7. 为什么一定要带着地球流浪?开飞船跑不行吗?

人类为什么不驾驶飞船离开太阳系,而非要带着地球一起流浪呢?小说原著里对这个问题进行过解释:持这种观点的人叫飞船派,他们认为可以在宇宙飞船中制造一个适合人类居住的生态系统,直到人类找到新的家园。而地球联合政府认为:飞船里的生态系统太小了,一定会崩溃,这就好像是一个鱼缸,如果不换水,鱼缸就会臭掉,所有的鱼都会死。而在江河湖海中,由于空间很大,环境的容错能力就很强。

生态系统必须能完成能量流动、物质循环、信息传递三大功能。绿色植物通过光合作用合成有机物,动物吃植物,死后被微生物分解,形成能量流动。而构成生命的各种无机物,也在食物链和食物网中形成了循环。

生态系统是在地球巨大的空间里,在亿万年的时间里逐渐演化形成的,具有稳定性和自我调节能力。而且,生态系统越复杂,稳定性就越强。你可以想象:如果世界上只有一种植物,那么它灭绝后,生态系统就会崩溃。人造生态系统体积太小,自我调节能力弱,缓冲量太小,很容易崩溃。

上个世纪九十年代,人类曾经斥资数亿美元,在亚利桑那的沙漠中人造了一个封闭的生态系统——生物圈2号(生态圈1号就是地球),八名志愿者携带几千种动植物进入其中,并且使用了最先进的保障系统,可是最终生态系统崩溃了,动植物大量灭绝,害虫成灾,就连志愿者都分裂成两派,实验不得不提前结束。

生态圈2号

至少在目前,地球依然是人类唯一的家园,我们还不具备在月球或者火星上建立生态基地的能力,更不具备长时间星际远航的能力。人类至今还没有能力创造一个和生物圈一样的生态系统,地球仍然是人类唯一的家园。

当然,流浪地球操作难度更大。刘慈欣又设想了一个方案,他说:我们做一个银河列车好不好?每一节车厢都是一个小的飞船,都是一个部件,这些小飞船又可以联结在一块组成一个大的飞船链,这样可以形成一个巨大的生态系统,一旦因为某些原因某个飞船出现灾难可以及时断开,不至于使整个飞船链都出现问题。

也许,《银河列车》就是下一个系列的科幻电影了。

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