投递人 itwriter 发布于 2019-02-06 09:22 原文链接 [收藏] « »

  腾讯科技乔辉/文

  大年初一,根据刘慈欣的小说《流浪地球》改编的同名电影《流浪地球》在全国上映。我第一时间慕名到电影院去观看了影片。整部电影气势恢宏,讲述了太阳将变成红巨星,人类驱动地球逃离太阳系的故事。

  看完影片,使我回想起高中时代的一个浪漫的夏日傍晚,我和几位同学迎着落日一起骑自行车放学回家,远方地平线上的太阳显得又红又大,像一只红红的气球。其中一位女同学开玩笑地问,太阳会不会要熄火了?引得大家哈哈大笑,说她是杞人忧日。

图注:当太阳变成红巨星时的样子(艺术图)

  从恒星的演化规律上来讲,太阳是会有熄火的那一天,不过是在遥远的 50 亿年之后。简单来讲,当太阳核心中的氢燃烧殆尽,生成的氦元素在引力的作用下坍缩,释放的能量进一步升高温度,点燃核心周围的氢壳层,然后太阳迅速膨胀,成为一颗红巨星。

  有理论认为,太阳演化生成的红巨星非常巨大,最远能够膨胀到地球轨道。这样,水星、金星和地球都会逐渐坠入太阳而毁灭。其实,早在太阳吞噬掉地球之前,地球上的海洋早已被膨胀的红巨星烤干,生命不复存在。

  我们可能听说过各种版本的“世界末日”,但太阳成变红巨星引起的“世界末日”肯定是必然会发生的!刘慈欣以太阳变红巨星这个知识点为基础,写出了著名的科幻小说《流浪地球》,讲述人类发现太阳要变成红巨星时,人类给地球安装万座巨大的核聚变发动机,推动地球逃离年迈的太阳,飞往最近的恒星——比邻星的过程。

图注:巨大的核聚变行星发动机,高 11 公里,比珠穆朗玛峰还高。

  《流浪地球》场景非常宏大,万座核聚变发动机,高 11 千米,珠穆朗玛峰在发动机面前也相形见绌,电影的细节我就不谈了。我只想谈一谈这部科幻电影提及到的真正的科学知识部分。

  烧脑的“氦闪”是什么现象?

  文章开头我们提到了太阳演化末期会变成红巨星,会吞噬掉行星。电影中还提到一个天体物理学中的名词氦闪,我们再来具体介绍一下。

图注:太阳从诞生到膨胀为红巨星的过程。

  氦闪是发生在质量介于 0.5 倍到 2 倍太阳质量的恒星演化末期。当核心处的氢燃烧殆尽,形成的氦堆积在核心处,氦不断积累自我压缩,密度增加到一定程度形成“简并态”,处于简并态的物质靠简并压(一种量子力学效应)支撑着自身重力,而非靠热压力支撑。核心处的氦的自我压缩,还会让温度升高,然而简并态物质有一个奇怪的特性:温度升高并不会导致其发生热膨胀,直到热压力再次超过简并压,而且简并态物质的热传导性非常好,当温度一路飙升至 1 亿度时,氦就受不了了,发生猛烈的热核燃烧,短短几分钟就把核心6% 的氦元素变成碳元素。对于太阳质量的恒星来讲,氦闪释放的能量相当于太阳正常燃烧 3000 万年。

  然而,据计算,如此巨大的能量并不会对红巨星的外观造成什么可观测的影响,因为这种能量释放发生在恒星的深处,巨大的能量释放让热压力超过简并压,核心物质脱离简并态而膨胀,大部分能量都耗费在驱动核心物质膨胀当中,剩余的少部分能量被厚厚的外壳吸收。实际上,并不会发生电影中看到的剧烈景象。

  本来解释一下电影中烧脑的名词,结果好像越解释越烧脑。那我再来简单总结一下氦闪的过程:氢燃烧变成的氦物质堆积在太阳核心,核心的物质越来越多,然后发生收缩温度升高,但核心的物质处于简并态,温度的升高并不能使其自动停止收缩,温度会越来越高,当跨过 1 亿度的门槛时,就发生了猛烈的爆炸式氦燃烧,数分钟内就把能够燃烧的氦变成了碳。但氦闪释放的能量都被太阳本身吸收,表面居然看不出内部发生了什么。

  质量小于 0.5 倍太阳的恒星没有足够的能力发生氦闪,而质量大于 2 倍太阳的恒星,发生的是稳定的、温柔的氦燃烧,无需发生氦闪。猎户座中大名鼎鼎的“参宿四”就是一颗质量是太阳 10 倍的红巨星,核心正在发生氦平稳燃烧变成碳的过程。对于恒星的演化而言,质量几乎决定一切,当然还要考虑其金属丰度。

图注:位于猎户座之肩的参宿四,这是一颗核心正在燃烧氦的红巨星。如果把这颗恒星放在太阳的位置,表面甚至可以触达木星轨道。

  燃烧石头的核聚变发动机

  我们知道,氢弹是一种剧烈的核聚变爆炸现象,人类无法直接利用这种能量。人类需要的是可控核聚变,就是说能够平稳输出能量的核聚变装置,到目前为止还处于实验阶段。如果有人问你,我们什么时候能利用上核聚变的能量,你可以说 50 年后。再过 10 年又有人问你,你还可以说 50 年后,这当然是核聚变领域著名的段子,但随着技术的提升,至少八零后应该能见到核聚变发电的那一天。

图注:中国超导核聚变装置——东方超环(EAST)。

  目前,中国的超导核聚变托克马克装置(EAST)以及国际联合建设的热核聚变实验堆(ITER)都让我们看到了希望的曙光。目前人类首先要驯服的是氘氚的核聚变,也是相对最容易的一种核聚变(具体核燃料用的是氘化锂)。

  刘慈欣的科幻小说也经常涉及核聚变堆的概念,核聚变确实是一劳永逸地解决人类能源问题的终极手段。

  在电影《流浪地球》中,为了推动地球离开太阳系,人类在地球上建造了上万座高耸入云的核聚变发动机,燃烧的不是氢,也不是氦,而是石头,真佩服大刘的知识面和想象力。大刘的烧石头不是烧成石灰石的化学过程,而是组成石头的元素的原子核发生聚变的燃烧。

图注:给聚变行星发动机提供燃料的巨大矿山车辆。

  石头的组成元素非常复杂,但主要是氧、硅、铝和钙等等这些原子序数较大的元素。这些元素能聚变吗?能!但实际上,难度恐怕高级外星人也做不到吧。

  宇宙当中,这些元素的核聚变发生在大质量恒星演化末期的核心处,这里的大质量最少也要 8 颗太阳质量以上了。实际上,我们身边的元素,除了氢和氦,基本都是在恒星燃烧、超新星爆炸以及中子星合并过程中形成的。有句话说的很好“我们其实都是核废料”。

  移动地球有多难?

  影片中,为了能够移动地球,设定了万台超级聚变发动机,每座 11 公里高,总共能产生 150 万亿吨的推力,严格来讲单位要用牛顿,换算一下,大约是 150 亿亿牛顿。地球的质量大约 6 亿亿亿千克,利用牛顿第二定律,可很容易计算发动机推动地球的加速度大约等于 0.000000025 倍的地球表面重力加速度,犹如蜉蝣撼大树,根本无法驱动地球脱离太阳。

  大刘也曾后悔说“当时没有经验,竟把地球发动机的具体参数全部详细列出,详细到可以很方便地直接计算地球得到的加速度,计算的结果是:发动机只能给地球零点(N多个零)几的加速度,别说航行,改变轨道都不可能”。

  “引力弹弓”是怎么回事儿?

图注:地球摆脱木星的引力,踏上飞往比邻星的漫长旅程。

  影片中,地球为了逃离太阳系,设定了一个飞往木星的冒险轨道,差点毁掉地球。这种冒险的原因是为了利用木星给地球加速。这种加速的方式俗称引力弹弓(gravitational slingshot)或者叫引力助推(gravity assist)。

  引力弹弓这是一种非常成熟的航天技术,现实中有着广泛的应用。人类第一次利用引力弹弓效应发生在 1959 年,当时苏联的月球 3 号探测器从月球南极后方飞过,借助月球的引力绕到月球背面并拍摄了人类第一幅月球背面的图像。这次的引力助推不但改变了探测器的飞行轨道平面,也少许增加了速度。

图注:借助引力弹弓效应正在飞离太阳系的四个探测器。

  1977 年,NASA 著名的旅行者 1 号和旅行者 2 号发射升空,各携带带有人类信息的金唱片飞往宇宙深处。目前,旅行者 1 号和旅行者 2 号分别于 2013 年和 2018 年先后成为进入星际空间的人类探测器。这两枚探测器就充分利用过引力弹弓效应,旅行者 1 号在飞掠木星和土星时,利用了这两颗大行星进行了加速,然后才达到了太阳的逃逸速度。旅行者 2 号利用了木星、土星以及天王星的加速,但在接近海王星时,为了探测海王星的卫星”海卫一“,飞掠海王星的角度导致了相反的引力弹弓效应,速度下降了一些。导致最终速度旅行者 1 号比旅行者 2 号要快,首先进入星际空间。

图注:先驱者号探测器携带的地球名片。

  携带地球名片(刻画有裸体男人和女人那个名片)的先驱者 10 号和 11 号探测器也利用过木星的引力弹弓效应进行加速。卡西尼-惠更斯土星探测器,也利用过地球、金星以及木星的引力弹弓效应。此外,还有黎明号探测器、尤利西斯探测器等等都利用过这种技术,简直不胜枚举。这里再强调一句,引力弹弓效应不但能够加速探测器,当然也可以减速探测器,诀窍在于飞掠行星的位置,这里就不展开说啦。最近的例子是 2018 年发射的帕克太阳探测器,该探测器就要利用金星的弹弓效应一次次逐渐降低轨道速度,逐渐靠近太阳。

  地球为什么有被木星撕裂的危险?电影中反复提到的“洛希极限”是什么意思?

图注:地球靠近巨大木星时,行星发动机喷出的等离子体火焰显得非常纤弱无力。

  影片中,当推动地球前进的行星发动机发生故障时,地球离木星越来越近,即便后来发动机恢复运转,但仍然无济于事,地球仍然在接近木星。地球人陷入了绝望之中,到了该吃吃该喝喝的状态。如果地球越过木星的洛希极限距离时,木星的潮汐力就会把地球撕碎!在千钧一发时刻,人类靠点燃木星和地球氧气混合气体的方法,成功把地球推离危险轨道。

图注:地球的部分大气层已被木星的引力吸走。

  在天体力学中,洛希极限又称洛希半径,最早由法国天文学家洛希提出,因此称为洛希极限。我们就拿地球接近木星作为特例简单说一下:地球的物质结合在一起的主要作用力是自身的重力,当地球靠近木星的时候,木星会对地球产生强烈的潮汐撕扯作用,当潮汐力超过地球自身物质的重力结合作用时,地球就会被撕裂。地球刚开始被撕裂时,离木星的距离就是洛希极限。

美丽的土星和光环系统。土星被比喻为“太空中的指环王”。

  土星壮观的光环就位于土星的洛希极限内,光环中的物质无法靠自身的引力聚合成较大的天体。实际上,土星环可能就是由土星的一颗天然卫星越过洛希极限被撕裂形成的。当然也可能是土星形成时剩余的物质。还有一个有趣的例子,火星的卫星“火卫一”早晚会进入火星的洛希极限内,被火星撕裂,形成围绕火星的环状系统。科学家估计这个时间大约只有 3000 万年到 5000 万年。

  流浪地球的目的地——比邻星

  稍有天文常识的人都知道,距离太阳系最近的恒星是“比邻星”,只有 4.2 光年,4.2 光年对于我们来说也是巨大的空间尺度了,要知道 1 光年大约等于 9.5 万亿公里。

图注:这个图描绘了比邻星恒星系统中三颗恒星的关系,以及在比邻星周围发现的一颗行星。

  比邻星所在的恒星系统其实是包含了三颗恒星。三颗恒星肉眼是无法分开的,看起来就像是一颗恒星。由于这三颗星是半人马座最亮的星点,因此称为“半人马座α”星。半人马座α星是由两颗太阳大小的恒星相互围绕公转,外加一颗相对距离较远的“比邻星”组成。这个恒星系统也是刘慈欣《三体》小说的切入点。实际上,这样的三体系统是稳定的,不会出现《三体》中所描述的“恒纪元”和“乱纪元”。

  在 2016 年,欧洲南方天台发现一颗行星围绕比邻星公转,该行星距离比邻星约 0.05 个天文单位(750 万公里),质量相当于地球的 1.3 倍。令人兴奋的是,该行星可能处于比邻星的宜居带上。“宜居带”是指行星距离恒星远近合适的区域,在这一区域内,恒星传递给行星的热量适中,既不会太热也不太冷,能够维持液态水的存在。但由于比邻星是一颗红矮星,能量输出不太稳定,经常有大的爆发现象,可能并不适合生命在其周围生存。

  比邻星一直是人类设想的星际航行的首选目的地

  2016 年 4 月 12 日,著名的俄罗斯投资人尤里o米尔纳宣布了“突破摄星计划”。霍金还亲临现场为该计划站台助威。

图注:“突破摄星”计划的光帆飞行器需要强劲的地面激光阵列供能。

  该计划设想在地面上建设激光阵列,然后利用激光产生的光压推动极薄、极轻的光帆高速前进,在 200 万千米的距离上完成加速过程,并使光帆的速度达到光速的 20%!以这样的高速奔向离太阳系最近的比邻星所在的恒星系统仅需 20 年。

  光帆携带一个厘米大小的芯片,小小的芯片上面集成有核电池、微处理器、导航系统、通信系统、以及高清相机等等,真可谓是“麻雀虽小,五脏俱全”,是一枚真正的探测器。为了节约加速能量,光帆和芯片的质量限制在克量级。光帆和微芯片的组合体可以成群地运行在地球轨道上,等待激光阵列的加速一个个奔向深空。

  当然,这个激进的设想给当前人类的科技水平提出了很大的挑战!激光器的连续输出功率要求为 100 吉瓦(1 亿千瓦),相当于五个三峡水电站的输出功率。这样强大的激光对光帆来说简直是噩梦,在承受极大光压的同时,还要承受极高的温度。抵达目标后,微芯片探测器想要把信息发回 4.2 光年之遥的地球并接收难度极大,因为芯片的发射功率实在有限。

  宇宙中还真有流浪行星

  从电影回到现实中,科学家还真发现宇宙中有流浪行星(Rogue planets),这样的行星不隶属于任何恒星。今年年初,清华大学毛淑德教授接受我们采访时就表示,可以利用“微引力透镜法”探测流浪行星。简单来说,微引力透镜是指当有未知天体经过背景恒星时,天体的时空弯曲效应就会突然增亮背景恒星的亮度。

  流浪行星的形成有多种原因,质量较大的可能是像恒星那样独立形成的,例如有很多行星的质量已经逼近褐矮星的程度。有些可能是中央恒星发生超新星爆炸,行星被冲击到宇宙空间。

  还有一些可能是在恒星系统形成的过程中,被其他行星的引力相互作用抛出去的。自从牛顿发现万有引力定律解释了行星运动以来,科学家就发现,由于恒星系统是多体相互作用,其实是一个混沌系统,长期来看运动是不可预测的,有一种可能就是某颗行星会被抛出太阳系。

  还有一种更精彩的情况,当恒星被黑洞吞噬的时候,其携带的行星有可能被抛射出去,形成速度极快的流浪行星。

  更脑洞的情况就是大刘描绘的被高等智慧生命驱动,在宇宙中寻找寻找合适家园的流浪行星。

  电影中还有一些其他的科学细节,就不一一解析了。这部小说的成功主要还在于故事情节,太阳变成红巨星,人类带着世世代代生存的家园一起逃离,本身就是一件非常浪漫的事情。

 
来自: 腾讯科技
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标签: 流浪地球

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