《流浪地球》里的科学故事

2019-08-15 09:20

元旦,中国科幻电影“游荡地球”降落在各大影院,在竞争激烈的春节中赢得了票房冠军。这部电影以刘慈欣的同名科幻小说为基础,讲述了一个在不久的将来发生的故事:太阳正在迅速老化,任何时候都有可能进入红巨星的扩张阶段,地球将是吞噬了在这个关键时刻,为了地球人民的生存,地球联合共和国紧急决定在地球上建造数以万计的核聚变行星发动机,每个发动机产生数十亿吨的推力并将地球视为地球。地球。一艘巨大的宇宙飞船驶离现有的轨道,前往最接近太阳系的恒星,即邻近的恒星,开启了2500年的星际旅程。

太阳诞生于大约50亿年前的星云中,而太阳系中的其他行星紧随其后。太阳提供的能量来自其中心氢的核反应。就像大量的氢弹在太阳内爆炸一样,根据现有数据,这种核反应将持续大约100亿年,因此太阳可以燃烧另外50亿。大约一年。

在小说“游荡的地球”中,科学家们发现太阳是异常的,并预测太阳将进入红巨星的膨胀阶段,在接下来的几百年里淹没地球的轨道。这颗红巨星是恒星燃烧所经历的短暂不稳定时期。然而,人类学家估计,由于周围环境的各种变化,人类可以在地球上存在大约200万年。由于人类能源使用效率低下,物理学家霍金更加悲观,预言将不得不考虑在几百年内离开地球。

在某些时候,地球已经移出太阳系的宜居区域,然后被淹没,不再适合生命,但那时,火星将完全进入宜居区域。

半人马是距离地球最近的恒星,除了距离我们4.2光年远的太阳。如果真的有一个“游荡地球”计划,地球真的在邻近恒星旁边的半人马周围徘徊,适合人类生存的环境在哪里?

根据像哈勃望远镜这样强大的望远镜对半人马座邻近恒星的一些观察,我们仍然可以学到很多关于这颗恒星的知识。半人马的邻近恒星只有太阳质量的七分之一,属于红矮星,其亮度低于太阳。

1999年,当刘慈新写小说“流浪的地球”时,人们不知道半人马周围是否有行星。 2016年底,欧洲南方天文台发现的一个名为“红点”的发现让天文学家和公众都非常兴奋 - 科学家发现一颗行星与半人马周围的地球非常相似,质量很高。它大约是地球质量的1.3倍,旋转周期为11.2天。它位于半人马座的宜居区域。天文学家使用一个名为地球相似性指数的参数来描述地球与地球之间的相似性。 “浅红点”的相似性指数高达86?

除了潮汐锁之外,还有一个更重要的问题,那就是中央恒星频繁爆炸。虽然半人马的相邻恒星质量小于太阳的质量,但其爆发频率和释放能量远大于太阳。半人马的邻近恒星行星接收到的紫外线辐射比用于杀死地球上的细菌的紫外线高出100多倍,这相当于地球上生命的灾难。更糟糕的是,一旦潮汐被锁定,根据现有理论,行星产生磁场的可能性将非常小。如果强烈的恒星风持续吹动,即使行星上有气氛,它也会在恒星风的作用下逐渐变强。逃跑直到它消失。

根据以上关于半人马座邻里的猜测,半人马座邻居可能不是一个非常适合地球的目的地。也许,随着科学技术的迅速发展,人类也可以在居住区找到另一颗恒星,它比太阳更接近地球,并且周围有更高的“地球相似性指数”。

“漫游地球”计划的第一步是阻止地球旋转。虽然没有直接在电影中显示,但在电影的叙述中提到了它。我们先来看看这个。停止旋转是可以实现的。

让我们先来看看地球的旋转能量。它可以很容易地从互联网上搜索。它是2.24×1029焦耳。这种能量非常巨大。

让我们做一个简单的比较:原子弹释放的能量几乎相当于100万TNT当量,或相当于4.2×1015焦耳,是伊万历史上最强大的释放。氢弹,释放的能量几乎是5000万TNT当量,或2.1×1017焦耳。地球的旋转能量相当于大约1万亿(1012)大型伊万氢弹同时爆炸。

然而,也许在不久的将来,如果人类能够掌握重核聚变的能力,那么产生能量的能力将大大增强。根据这部电影,每个行星引擎可以通过重核聚变产生150万亿吨的推力。通过简单的计算,我们可以推断,如果这样的发动机能够在赤道上连续产生反向推力,则需要21,857天(约60年)才能阻止地球旋转。

然而,根据这部电影,人类制造了10,000个这样的行星引擎,其中一些位于赤道上方以减速。如果数量可以达到100左右,那么它可以相对较短。阻止地球转动。这在理论上是可行的,但实施的难度不小。

最直接的影响之一就是没有旋转,如影片中所提到的,地球上几乎所有大陆目前都被海洋所淹没。原因很简单。当地球旋转时,由于离心力,海洋作为液体将聚集到赤道,所以一旦地球停止旋转,水将流向两极,导致大陆被淹没。在电影中,人类已经转向地下生活。

此外,因为没有旋转,地球将有一个面向太阳的固定侧,另一侧将保持在黑暗的夜晚,就像我们在南极或北极经历的极端或极端夜晚。电影中的中国救援队长还提到在地球表面运送行星发动机救援和维修设备时穿越夜间区域。尽管存在地球的大气层,但远离太阳的一侧仍然无法长时间到达太阳,而且温度将变得非常低,这不适合生命的存在。

整部电影的主题之一是如何摆脱木星的“刚体”极限。在这里,我们需要了解地球为何在木星周围移动。

木星的引力如此强烈,为什么地球不会躲避木星?事实上,在电影中,联合共和国政府最初想利用木星通过一种叫做“引力弹弓”的效应来加速地球。我没想到一些行星引擎会失效,导致地球被木星吸引并逐渐进入木星的“刚体罗氏”。极限,电影中有一场灾难。实际上,重力弹弓效应广泛用于探测器的飞行中。它通常用作节能加速方法。旅行者1探测器使用木星和土星在两个引力从太阳系逃逸之前加速。

这种效果的原理实际上非常简单,因为行星本身也围绕太阳旋转,所以当行星吸引探测器或其他天体时,它实际上会给探测器或其他天体提供速度,当探测器或者当天体逃离时,它相当于被加速。我们可以理解一个简单的类似例子。

如果我们站在一个静止的地面上并在一列行驶的火车上扔一个网球,当网球被反弹时,网球运动员观看地面上静止的速度实际上是火车速度的叠加和网球的原始速度。 。所以当身体绕过某个行星时,它实际上是原始速度和天体速度的叠加。

“漫游地球”,这种大胆而美丽的想象值得我们的向往。作为中国第一部科幻大片,“流浪地球”给我们带来了很多欢乐。像中国的科学发展之路一样,中国的科幻电影之路还有很长的路要走,每个人都需要共同努力。 (苟利军,中国科学院国家天文台研究员;媒体人黄跃)