2023年《流浪地球》里的趣味科学.docx

天道酬勤 流浪地球里的趣味科学 作为一部硬科幻电影，流浪地球涉及不少科学知识，其中有的比拟引人注目，接下来我们就来聊聊电影中那几个有趣的科学故事吧！ 太阳什么时候会灭亡？ 占有太阳系总体质量99.86%的太阳，诞生于大约45亿年前的一次星云坍缩。太阳是一颗黄矮星，它释放的能量来源于其中心氢气的聚核反响，如同大量氢弹在内部不断爆炸。黄矮星的这种聚核反，应大约能持续约100亿年，由此推测，太阳大约还能再燃烧55亿年左右。 而在流浪地球中，科学家观测到太阳即将进入红巨星膨胀阶段，红巨星阶段的太阳极不稳定，会淹没太阳系里的所有行星。不过据科学家研究推测，红巨星是太阳燃烧到后期才会经历的开展过程，离我们还很遥远。 不过，据人类学家估算，由于地球自身的环境也在发生各种变化，因而人类在地球上还可以存在大约200万年;物理学家霍金那么认为由于人类滥用地球资源，所以可能几百年后，地球就不再适宜居住了。 比邻星是可能的归宿吗？ 在流浪地球电影里，人类方案将地球驶离太阳系，目的地那么是距太阳系4.2光年的半人马星座恒星——比邻星。假设我们真的到达比邻星附近，那里的环境适合人类生存吗？ 通过哈勃太空望远镜等强大设备的全方位观测，科学家了解到不少关于比邻星的信息。他们发现，位于半人马座的比邻星，质量只有太阳的七分之一，是一颗红矮星，亮度比太阳低。 在流浪地球作者刘慈欣撰写此文的1999年，人类还不知道半人马座比邻星周围是否有行星存在。而2023年底，欧洲南方天文台有了惊人的发现，该天文台研究人员在比邻星周围发现了一个和地球非常相似的行星，其质量大约是地球的1.3倍，公转周期为11.2天，且正好位于比邻星的宜居区中，研究人员将这颗行星命名为“黯淡红点〞。 为了进一步找到“黯淡红点〞和地球的共同点，天文学家使用了一个名为“地球相似指数〞的参数，来衡量这颗行星和地球的相似度，最终发现，“黯淡红点〞和地球的相似指数竟到达了86%！ 是不是觉得这个新世界很吸引人呢？不过先别快乐得太早，因为相似指数仅仅用于描述其本身。由于“黯淡红点〞所围绕公转的恒星比邻星，质量远远低于太阳，且身为红矮星的它亮度也比黄矮星太阳低，所以围绕比邻星的宜居区也更加靠近中心恒星;又由于“黯淡红点〞和比邻星离得很近，这就会导致著名的天文学现象——潮汐锁定，使得“黯淡红点〞行星始终只有一面朝向比邻星。潮汐锁定导致的另一例广为人知的天文现象，就是月球始终只有一面面向地球。 由于“黯淡红点〞等靠近比邻星的行星，永远只有一面朝向比邻星这颗中心恒星，所以行星上这一面温度将会很高，而背对恒星的那一面温度将会很低。 除了潮汐锁定，比邻星的宜居区行星还会面临另一个麻烦，那就是中心恒星频繁的爆发。 据天文学家进一步观察发现，虽然比邻星的质量比太阳小，但其爆发频率和爆发时所释放出来的能量，却比太阳大得多，这就导致其周边行星所接收到的紫外辐射，比地球上用于杀死病菌的紫外线强度还要高100多倍，假设这些行星上有生命，它们无疑将遭受灭顶之灾。此外，由于潮汐锁定，根据现有理论推测，比邻星周围的行星很可能不具备磁场，假设剧烈的恒星风持续吹向行星，即使行星本身有大气，也会消失逃逸得无影无踪。 由此可见，半人马座比邻星很可能并不是地球流浪的最正确目的地。相信随着科技的高速开展，人类还能找到除太阳系外更适合移居的星系。 人类是否能够让地球停止转动？ 电影里提及，由于人类要让地球始终朝某个方向持续飞行，所以“流浪地球〞方案的第一步是先让地球停止自转。现实中，我们真的能让地球不再转动吗？ 首先我们要知道地球的转动能量，为2.24×1029焦耳，这个能量是很惊人的。我们来比照一下，历史上试验过的氢弹中，释放能量最强大的当属大伊万氢弹，其爆炸时释放了5000万TNT当量，也就是2.1×1017焦耳。而地球的转动能量就相当于约1万亿个大伊万氢弹同时爆炸。 显然，要产生比地球自转能量更大的力，让地球停止自转，显然不是一件容易的事，至少以目前人类的技术水平是不可能实现的。但在不远的未来，或许一切皆有可能，届时假设人类能够熟练掌握重核聚变技术，产生的能量将大大提高。 在流浪地球电影里，每个行星发动机通过重核聚变产生的推力为150万亿吨，这样一台发动机在赤道上持续产生反推力，需要21857天，也就是60年左右，才能让地球停止自转。不过影片中，联合政府可不止安装了一台这样的发动机在赤道，一万多个行星发动机中，就有不少赤道发动机，比方主角一行前去维修的印度尼西亚苏拉威西发动机。假设是赤道上共计有100个以上这样的发动机，理论上就可以在较短的时间内让地球停止自转。 一旦地球停止转动，将会发生什么？ 影片中提到，地球实现停止自转后，不可防止地发生了全球性的巨大灾难，导致人类数量大幅度削减，这是很真实的科幻预测。地球自转最直接的后果，就是陆地的大量消失。 地球在转动时，由于离心力作用，液态的海水会向赤道附近聚集，使得赤道附近储藏了大量的海水。假设地球真的停止自转，离心力消失，赤道附近的海水将向地球的两极流动，届时大陆将被淹没，地球将成为一颗蓝色的大水球，只剩赤道附近的一圈超级大陆尚且凸显在地表。 就算这块位于赤道上的唯一大陆，也不是绝对平安的。因为在地球自转时，同样由于离心力作用，地球的赤道地壳相较其他区域也会更突出一些;假设停止自转，赤道附近失去了离心力，这块仅存大陆的版块也将坍缩，引发一系列的全球性海啸和地震。 由此可见，当地球停止自转，地表也就不适合人类生存了，所以在电影里，人类大都移居到地下生活。 为什么流浪地球要驶入木星周围？ 整部电影讲述了人类在完成地球停转初级阶段后，进入旅行阶段初期发生的一次危机，这次危机源于地球不小心突破了木星的“刚体洛希极限〞，差点和木星发生了撞击。 有的朋友可能觉得奇怪，既然科学家已经设定好了地球的推进路线，为什么不能避开木星，却非要飞得离它很近，导致差点撞上去呢？其实，联合政府的科学家是成心让地球飞向木星，因为咱们要在木星的帮助下才能顺利“逃跑〞！ 现实中，美国宇航局研制的无人探测器“旅行者一号〞，在飞离太阳系前往深空探险的时候，为了节省能源，借助了一种叫做“引力弹弓〞的效应，利用木星和土星的两次引力加速，逃离了太阳系。 “引力彈弓〞的原理其实很简单，由于木星或土星等行星本身也在围绕太阳转动，所以当它们吸引探测器或其他天体的同时，也赋予了这些探测器或天体一局部速度，当探测器或者其他天体逃离出去的时候，就相当于被加速了。这就好比我们站在静止的地面上，往行驶中的火车车厢扔一个网球，在网球被弹飞的瞬间，静止不动的我们看到的网球飞行速度，其实是火车速度和网球原先速度的叠加。所以当地球作为一个天体，飞向木星并从木星周围逃离的时候，其逃离速度就是原先飞向木星的速度和木星围绕太阳公转速度的叠加！ 据联合政府科学家计算得出，地球正是需要这样的叠加速度，才能到达驶离太阳系所需的逃逸速度。可见，让地球飞向木星借力是何等明智的壮举，能为全人类节省无比庞大可观的资源，只不过地球上的行星发动机临时发生了故障，才导致“突破洛希极限〞这一意外的发生。