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        《流浪地球》里的趣味科學

        2020-03-03 14:09:27
        奇聞怪事 2020年3期
        關(guān)鍵詞:人類

        作為一部硬科幻電影,《流浪地球》涉及不少科學知識,其中有的比較引人注目,接下來我們就來聊聊電影中那幾個有趣的科學故事吧!

        太陽什么時候會滅亡?

        占有太陽系總體質(zhì)量99.86%的太陽,誕生于大約45億年前的一次星云坍縮。太陽是一顆黃矮星,它釋放的能量來源于其中心氫氣的聚核反應(yīng),如同大量氫彈在內(nèi)部不斷爆炸。黃矮星的這種聚核反,應(yīng)大約能持續(xù)約100億年,由此推測,太陽大約還能再燃燒55億年左右。

        而在《流浪地球》中,科學家觀測到太陽即將進入紅巨星膨脹階段,紅巨星階段的太陽極不穩(wěn)定,會淹沒太陽系里的所有行星。不過據(jù)科學家研究推測,紅巨星是太陽燃燒到后期才會經(jīng)歷的發(fā)展過程,離我們還很遙遠。

        不過,據(jù)人類學家估算,由于地球自身的環(huán)境也在發(fā)生各種變化,因而人類在地球上還可以存在大約200萬年;物理學家霍金則認為由于人類濫用地球資源,所以可能幾百年后,地球就不再適宜居住了。

        比鄰星是可能的歸宿嗎?

        在《流浪地球》電影里,人類計劃將地球駛離太陽系,目的地則是距太陽系4.2光年的半人馬星座恒星——比鄰星。假如我們真的到達比鄰星附近,那里的環(huán)境適合人類生存嗎?

        通過哈勃太空望遠鏡等強大設(shè)備的全方位觀測,科學家了解到不少關(guān)于比鄰星的信息。他們發(fā)現(xiàn),位于半人馬座的比鄰星,質(zhì)量只有太陽的七分之一,是一顆紅矮星,亮度比太陽低。

        在《流浪地球》作者劉慈欣撰寫此文的1999年,人類還不知道半人馬座比鄰星周圍是否有行星存在。而2016年底,歐洲南方天文臺有了驚人的發(fā)現(xiàn),該天文臺研究人員在比鄰星周圍發(fā)現(xiàn)了一個和地球非常相似的行星,其質(zhì)量大約是地球的1.3倍,公轉(zhuǎn)周期為11.2天,且正好位于比鄰星的宜居區(qū)中,研究人員將這顆行星命名為“黯淡紅點”。

        為了進一步找到“黯淡紅點”和地球的共同點,天文學家使用了一個名為“地球相似指數(shù)”的參數(shù),來衡量這顆行星和地球的相似度,最終發(fā)現(xiàn),“黯淡紅點”和地球的相似指數(shù)竟達到了86%!

        是不是覺得這個新世界很吸引人呢?不過先別高興得太早,因為相似指數(shù)僅僅用于描述其本身。由于“黯淡紅點”所圍繞公轉(zhuǎn)的恒星比鄰星,質(zhì)量遠遠低于太陽,且身為紅矮星的它亮度也比黃矮星太陽低,所以圍繞比鄰星的宜居區(qū)也更加靠近中心恒星;又由于“黯淡紅點”和比鄰星離得很近,這就會導致著名的天文學現(xiàn)象——潮汐鎖定,使得“黯淡紅點”行星始終只有一面朝向比鄰星。潮汐鎖定導致的另一例廣為人知的天文現(xiàn)象,就是月球始終只有一面面向地球。

        由于“黯淡紅點”等靠近比鄰星的行星,永遠只有一面朝向比鄰星這顆中心恒星,所以行星上這一面溫度將會很高,而背對恒星的那一面溫度將會很低。

        除了潮汐鎖定,比鄰星的宜居區(qū)行星還會面臨另一個麻煩,那就是中心恒星頻繁的爆發(fā)。

        據(jù)天文學家進一步觀察發(fā)現(xiàn),雖然比鄰星的質(zhì)量比太陽小,但其爆發(fā)頻率和爆發(fā)時所釋放出來的能量,卻比太陽大得多,這就導致其周邊行星所接收到的紫外輻射,比地球上用于殺死病菌的紫外線強度還要高100多倍,假如這些行星上有生命,它們無疑將遭受滅頂之災(zāi)。此外,由于潮汐鎖定,根據(jù)現(xiàn)有理論推測,比鄰星周圍的行星很可能不具備磁場,假如劇烈的恒星風持續(xù)吹向行星,即使行星本身有大氣,也會消失逃逸得無影無蹤。

        由此可見,半人馬座比鄰星很可能并不是地球流浪的最佳目的地。相信隨著科技的高速發(fā)展,人類還能找到除太陽系外更適合移居的星系。

        人類是否能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動?

        電影里提及,由于人類要讓地球始終朝某個方向持續(xù)飛行,所以“流浪地球”計劃的第一步是先讓地球停止自轉(zhuǎn)?,F(xiàn)實中,我們真的能讓地球不再轉(zhuǎn)動嗎?

        首先我們要知道地球的轉(zhuǎn)動能量,為2.24×1029焦耳,這個能量是很驚人的。我們來對比一下,歷史上試驗過的氫彈中,釋放能量最強大的當屬大伊萬氫彈,其爆炸時釋放了5000萬TNT當量,也就是2.1×1017焦耳。而地球的轉(zhuǎn)動能量就相當于約1萬億個大伊萬氫彈同時爆炸。

        顯然,要產(chǎn)生比地球自轉(zhuǎn)能量更大的力,讓地球停止自轉(zhuǎn),顯然不是一件容易的事,至少以目前人類的技術(shù)水平是不可能實現(xiàn)的。但在不遠的未來,或許一切皆有可能,屆時若人類能夠熟練掌握重核聚變技術(shù),產(chǎn)生的能量將大大提高。

        在《流浪地球》電影里,每個行星發(fā)動機通過重核聚變產(chǎn)生的推力為150萬億噸,這樣一臺發(fā)動機在赤道上持續(xù)產(chǎn)生反推力,需要21857天,也就是60年左右,才能讓地球停止自轉(zhuǎn)。不過影片中,聯(lián)合政府可不止安裝了一臺這樣的發(fā)動機在赤道,一萬多個行星發(fā)動機中,就有不少赤道發(fā)動機,比如主角一行前去維修的印度尼西亞蘇拉威西發(fā)動機。若是赤道上共計有100個以上這樣的發(fā)動機,理論上就可以在較短的時間內(nèi)讓地球停止自轉(zhuǎn)。

        一旦地球停止轉(zhuǎn)動,將會發(fā)生什么?

        影片中提到,地球?qū)崿F(xiàn)停止自轉(zhuǎn)后,不可避免地發(fā)生了全球性的巨大災(zāi)難,導致人類數(shù)量大幅度削減,這是很真實的科幻預測。地球自轉(zhuǎn)最直接的后果,就是陸地的大量消失。

        地球在轉(zhuǎn)動時,由于離心力作用,液態(tài)的海水會向赤道附近聚集,使得赤道附近儲備了大量的海水。假如地球真的停止自轉(zhuǎn),離心力消失,赤道附近的海水將向地球的兩極流動,屆時大陸將被淹沒,地球?qū)⒊蔀橐活w藍色的大水球,只剩赤道附近的一圈超級大陸尚且凸顯在地表。

        就算這塊位于赤道上的唯一大陸,也不是絕對安全的。因為在地球自轉(zhuǎn)時,同樣由于離心力作用,地球的赤道地殼相較其他區(qū)域也會更突出一些;假如停止自轉(zhuǎn),赤道附近失去了離心力,這塊僅存大陸的版塊也將坍縮,引發(fā)一系列的全球性海嘯和地震。

        由此可見,當?shù)厍蛲V棺赞D(zhuǎn),地表也就不適合人類生存了,所以在電影里,人類大都移居到地下生活。

        為什么流浪地球要駛?cè)肽拘侵車?/p>

        整部電影講述了人類在完成地球停轉(zhuǎn)初級階段后,進入旅行階段初期發(fā)生的一次危機,這次危機源于地球不小心突破了木星的“剛體洛希極限”,差點和木星發(fā)生了撞擊。

        有的朋友可能覺得奇怪,既然科學家已經(jīng)設(shè)定好了地球的推進路線,為什么不能避開木星,卻非要飛得離它很近,導致差點撞上去呢?其實,聯(lián)合政府的科學家是故意讓地球飛向木星,因為咱們要在木星的幫助下才能順利“逃跑”!

        現(xiàn)實中,美國宇航局研制的無人探測器“旅行者一號”,在飛離太陽系前往深空探險的時候,為了節(jié)省能源,借助了一種叫做“引力彈弓”的效應(yīng),利用木星和土星的兩次引力加速,逃離了太陽系。

        “引力彈弓”的原理其實很簡單,由于木星或土星等行星本身也在圍繞太陽轉(zhuǎn)動,所以當它們吸引探測器或其他天體的同時,也賦予了這些探測器或天體一部分速度,當探測器或者其他天體逃離出去的時候,就相當于被加速了。這就好比我們站在靜止的地面上,往行駛中的火車車廂扔一個網(wǎng)球,在網(wǎng)球被彈飛的瞬間,靜止不動的我們看到的網(wǎng)球飛行速度,其實是火車速度和網(wǎng)球原先速度的疊加。所以當?shù)厍蜃鳛橐粋€天體,飛向木星并從木星周圍逃離的時候,其逃離速度就是原先飛向木星的速度和木星圍繞太陽公轉(zhuǎn)速度的疊加!

        據(jù)聯(lián)合政府科學家計算得出,地球正是需要這樣的疊加速度,才能達到駛離太陽系所需的逃逸速度??梢姡尩厍蝻w向木星借力是何等明智的壯舉,能為全人類節(jié)省無比龐大可觀的資源,只不過地球上的行星發(fā)動機臨時發(fā)生了故障,才導致“突破洛希極限”這一意外的發(fā)生。

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