停止自转的地球真能去流浪吗?

2019-05-17 10:03:42 科学大众(中学)2019年4期

苟利军

在大家的期盼中,中国第一部真正意义上的硬核科幻电影《流浪地球》终于在春节期间上映了。这部影片是根据刘慈欣的同名科幻小说《流浪地球》改编而来,讲述了太阳即将死亡、即将进入红巨星的膨胀阶段,地球即将被膨胀的太阳大气所淹没,在人类面临生死存亡的关头,人类联合政府做出了一项决定,将地球作为一艘庞大的飞船驶离现有轨道,驶向距离我们最近、4.2光年的半人马座比邻星。

从地球原有轨道到遥远的比邻星,按照小说而言,这是一场长达2500年、需要100代人才能完成的恢弘计划,它分为了5个阶段——刹车阶段:凭借赤道上的行星发动机的巨大推力,使地球停止自转;逃逸阶段:全功率开动行星发动机,使地球加速驶出太阳系;先流浪阶段:利用太阳和木星完成最后的加速,驶向人类选定的新家园;后流浪阶段:驶出太阳系后,行星发动机全功率开启,利用500年的时间将地球加速到光速的5%0,然后滑行1300年,再调转发动机,利用700年时间进行减速;新太阳时代:地球泊入比邻星轨道,成为比邻星的卫星。

这部电影被定义为硬科幻,其中包含有不少的科学成分。比如太阳在燃烧完最中心的氢之后,因为周围的氢元素进一步发生聚核反应而产生热量,从而使太阳发生膨胀,这一点已经为很多人所熟知,完全符合我们的科学认识,而流浪地球就是发生在这样的背景之下。距离太阳系最近的恒星就是比邻星,这也符合我们的认识,而且刘慈欣的小说《三体》也是以比邻星为背景的。

整部电影涉及到非常多的天文知识,今天,就让我们从科学的角度,选取电影当中提及的几个场景,深入审视看其是否符合科学的原理。

问题1:

人类是否能让地球停止转动?

“流浪地球”计划中的第一步就是让地球停止转动,尽管在电影中没有直接展现这一场景,但是电影的旁白中有所提及,我们就先来看看这是否可以实现。

在直接回答这个问题之前,我们先了解一下地球的转动能量有多少。关于这个数值,我们可以从网络上搜索到,地球的转动能是2.24×1029焦耳,这个能量是非常巨大的。让我们做一个简单的对比,可以有更加直观的了解。一颗原子弹释放出来的能量差不多是100万吨TNT当量,或者相当于4.2×1015焦耳,而历史上曾经实验过的释放能量最强的大伊万氢弹,释放的能量差不多是5000万吨TNT当量,相当于2.1×1017焦耳,然而相比较地球的转动能量,还是小巫见大巫了,后者大约相当于1万亿颗大伊万氢弹同时爆炸。

不过或许在不远的未来,如果人类熟练掌握了重核聚变能力的话,产生能量的能力将极大提高。按照电影所说,每台行星发动机通过重核聚变能够产生150万亿吨的推力,那让我们结合地球质量来进行一下估算,可以知道产生的加速度大约是0.00000025米/秒2,在赤道附近的转动速度大约就是460米/秒。对于一台行星发动机而言,即使能够持续不断地产生反推力,那么也需要21857天(大约60年)的时间才能够让地球停止转动。不过按照电影所言,在这1万台行星发动机当中,有一部分是位于赤道之上用于减速的,如果数量可以达到100台左右的话,那么就可以在相对比较短的时间内让地球停止转动。不过前提条件是,这些发动机必须持续不断工作并且提供相同的反推力。所以这个难度可是非常的高,对于人类而言,几乎是不太可能做到的事情。其实这里面还有一个很大的问题,如果行星发动机真能够产生这么大的推力的话,地壳本身也承受不了如此大的推力,会被撕裂。问题2:

如果地球真不转了,将会发生什么?

如果地球真的停止转动,那么地球上将会发生什么样的变化呢?

最直接的一个后果,就是目前地球上几乎所有的大陆都会被海洋所淹没。这一点的确在电影当中有所提及,原因很简单,在地球转动的时候,因为离心力的缘故,作為液态的海洋会朝向赤道附近聚集,所以一旦地球停止转动,这些水会向两极流动,从而造成大陆被淹没。根据美国ESRI公司的动画模拟,最终几乎所有的大陆都会被淹没,只剩下赤道附近的一圈超级大陆凸显出来,如果人类想要继续在大陆上生存下去的话,这将会是唯一的希望,不过在电影当中,人类是移居到了地下生活。

需要指出的是,即使对于赤道附近的唯一大陆,也是充满了很多危险。在转动的时候,同样是因为离心力的作用,地球的赤道地壳会显得更为突出一点,然而在没有转动的时候,因为赤道附近缺少离心力,所以很可能会导致板块坍缩,从而引发一系列的全球地震或者海啸。这样一来,不仅修建在地面上的那些行星发动机将很难存在,而且人们想居住在地下也是非常困难的。

因为没有了转动,地球一天的时间将会变得极为漫长,将会等同于地球围绕太阳转动一年的时间,一年看到一次日出和日落,几乎有一半的时间一直处于白天,而另外一半时间一直处于黑夜当中,就仿佛我们在南极或者北极所经历的极昼或者极夜那样。尽管有地球大气的存在,但是远离太阳的一面,还是会因为长期得不到太阳的照射,从而温度变得很低,不太适合生命的存在。

尽管我们对于磁场的产生机制并不是非常清楚和确定,一种流行的说法就是因为地球外壳层和内核之间的转速不同导致的。如果地球自转停止,而且两个区域都停止,那么地球磁场有可能会突然消失。通常情况下,地球磁场不仅能够为我们指明南北方向,更重要的是磁场起到了对地球的保护作用,能够将来自于太阳的带电粒子屏蔽于地球大气之外,让太阳粒子很难直接穿过磁场进入低层大气,也就保护了地球大气层不会丢失掉。不过这些带电粒子会沿着磁力线向两极运动,最终与大气中的粒子相互作用,使得粒子发生激发,从而产生我们所看到的极光。我们已经知道,现在的火星大气仅仅是地球大气质量的1%,而在三四十亿年前,火星也像目前的地球一样,有着海洋,有着浓厚的大气,非常温暖,非常适合生命居住。然而就是因为后来火星磁场的整体消失,在太阳风的冲击之下,火星大气逐渐逃逸到了太空当中,火星才变成了如今的模样。如果地球没有了磁场,那么我们的地球也将经历这样的遭遇。

在电影中,观众看到了一个被冰雪封冻但保存完整的世界,但是我们通过上面的分析可以得知,如果我们真的能够让地球逐渐停止转动,那么在这一过程中,地球其实已经发生了巨大的变化,城市建筑早已经在地壳的变化过程中不复存在了,完全不是电影当中所展现的那样。

问题3:

脱离木星引力的方法合理吗?

整部电影所展现的一个主题,就是如何摆脱木星的刚体洛希极限点。

在这里,我们需要先明白地球驶入木星周围的原因。木星引力是如此之强,为何地球不躲着木星行驶?其实在电影当中,联合政府本来想通过一种叫做引力弹弓的效应,利用木星对地球进行加速,没想到部分行星发动机失效,导致地球被木星吸引而逐渐进入木星的刚体洛希极限,从而出现了电影中的灾难。

引力弹弓效应在探测器飞行中被广泛使用,通常被当成一种节省能源的加速方式,美国发射的“旅行者一号”就是利用木星和土星两次引力加速,才得以逃出太阳系。这个效应的原理其实非常简单,因为行星本身也在围绕太阳转动,所以在行星吸引探测器或者其他天体的同时,实际上就赋予了探测器或者其他天体一部分速度,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。我们可以举一个简单的类似例子来理解。如果我们站在静止的地面上向运动的火车顶上扔一个网球,在网球被弹起来的时候,地面上静止的人看到的网球的速度,其实就是火车速度和网球原来速度的叠加。所以当天体从某个行星周围逃离的时候,其实就是两种速度的叠加。

接下来,我们再来解释一下电影中出现的烧脑名词:刚体洛希极限。简单说来,这就是一个类似地球的岩质天体被木星的潮汐力撕碎的极限半径。因为距离木星很近,在靠近木星和远离木星的地球表面上会感受到不一样的木星引力,我们把这种力的差别称为潮汐力。距离木星越近,这种潮汐力就会变得越大,当潮汐力大到一定程度时,整个地球就会被撕裂,这个特殊的临界距离就被科学家们称为刚体洛希极限。所以我们可以想象一下,一旦地球跨过了这个点,地球会被粉碎,地球上的人类肯定无一生存,“流浪地球”计划也将随之破灭。而按照电影当中所言,这也是为什么联合政府看到地球即将跨过洛希极限点的时候,就已经打算放弃地球而保留太空站,让太空站成为人类文明延续的诺亚方舟。

不过,我们计算过木星一地球的刚体洛希极限点,结果发现这个半径要比木星的半径还要小,所以预期中的地球撕裂现象并不会发生,最主要的原因是因为木星没有地球那么致密。

再让我们回顾一下电影当中地球摆脱木星引力的场景:在地球即将进入木星的刚体洛希极限点之前,地面上的救援队试图将所有行星发动机的能量集中到其中一个,然后去喷射点燃木星的大红斑,但是因为部分发动机没有完全工作,所以没能成功。在这紧急关头,吴京扮演的宇航员刘培强驾驶着空间站在粒子流当中爆炸,空间站携带的巨大能源弥补了行星发动机的能量不足,最终木星大红斑被成功点燃,产生剧烈的冲击波,这股来自于木星的气体巨浪将地球从木星周围推走,避免了被木星引力撕碎的危险。

木星大红斑中的氢可以被点燃吗?木星的气体冲击波真的能将地球推走吗?简单的答案就是这两个情形都不太可能发生。如果要想让大红斑中的氢燃烧,需要有充分的氧气混合,即使包含大量氧气的地球大气被吸积到木星表面,但因为时间很短,也不会和氢气均匀混合,所以产生大规模燃烧的可能性非常小。而且,就算可以燃烧发生爆炸,能產生非常强的冲击波,也不太可能对地球本身产生极大的影响。因为冲击波其实就是高速运动的气体粒子,非常类似于来自太阳巨型爆发产生的太阳风,即使这些气体粒子直接作用于地球表面,也并不会产生很强的推力,在一定程度上非常类似我们常说的一句俗语:蚍蜉撼大树—一自不量力。

当然,在此之后,地球在太空流浪的征途也并非一帆风顺,逃离木星的刚体洛希极限点也仅仅是万里征途中碰到的一个小插曲。木星轨道之外,有着包含冥王星的小行星带,最外层还有一个呈现为球形的奥尔特星云,这些区域布满了大小不一、密密麻麻的小行星,而且这些区域的尺度非常大,尤其是奥尔特星云,一直可以延伸到大约比邻星距离的一半。所以在抵达比邻星之前,地球如何安全地经过这些小行星带,如何避免被小行星不断撞击,也是很有挑战的。

即使人类的技术能够顺利抵达比邻星,根据科学家的研究发现,比邻星的周围并不适合生命居住。比邻星的质量只有太阳质量的1/7,所以适合生命发展的宜居区也就距离中心恒星很近,中心恒星剧烈的爆发有可能会将存在的生命杀死。而且在2016年的时候,科学家在比邻星周围已经发现了一个位于宜居区内的行星,所以到时如何让地球精确地存在于宜居区的另外一个轨道上,而不与现有行星相撞,那也是一个极大的挑战。

无论如何,地球的流浪之路会是非常艰辛。不过我们需要知道,在所有人类面临危机的时候,将地球整个儿当成一艘飞船移走,是一个非常大胆且富有想象力的想法,尽管从科学的角度来看,在可以预见的时期内,人类的能力无法实现。不过电影作为一门艺术,它不是生活或者科学的完全再现,所以尽管这部电影中包含了许多不科学的想象,但是我们依旧要为之鼓掌。科学是人类进步的动力,而想象则为人类进步指明了方向,让我们先去享受电影《流浪地球》带给我们的欣喜吧。

(责任编辑:白玉磊 责任校对:司明婧)