流浪的那天，真的會到來嗎？
作者：李會超
來源：中國科普博覽（ID：kepubolan）
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太陽產(chǎn)生能量的方式
1945年，美國相繼向日本投下了兩顆原子彈，徹底馴服了法西斯野獸。美國白宮在事后發(fā)表的聲明中義正言辭的說，原子彈將“太陽釋放能量的力量降臨到把戰(zhàn)爭帶給遠東的人”。
從感情上講，這句話給終結(jié)二次世界大戰(zhàn)的這次轟炸增添了幾分替天行道的意味，再合適不過了。但從科學(xué)上講，這句話存在些許的偏差。和廣島長崎的原子彈一樣，太陽釋放能量依靠的也是核反應(yīng)。然而，原子彈使用的是重元素的核裂變，既一個分子量較高的元素通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，裂變成分子量較小的元素。說簡單一些，就是一個大原子核裂變成幾個小原子核。而太陽則走了一條方向相反的技術(shù)路線。太陽使用核聚變，將分子量為1的氫原子核（實質(zhì)上就是一個質(zhì)子），經(jīng)過3步中間過程，聚變成分子量為4的氦原子核。無論是核裂變的大核變小核，還是核聚變的小核變大核，物質(zhì)在核反應(yīng)后的總質(zhì)量均小于核反應(yīng)之前，而損失的質(zhì)量則轉(zhuǎn)化成了原子彈爆炸或者太陽發(fā)光發(fā)熱的能量，其基本原理可以用我們耳熟能詳?shù)?strong>愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc^2來描述。
（太陽進行核聚變的三步鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。圖片來源wikipedia。）
前不久，我們沉痛地送別了我國氫彈事業(yè)的開創(chuàng)者于敏院士。氫彈利用了和太陽相同的核聚變原理，能夠產(chǎn)生更大的爆炸威力。氫彈一旦投放出去，就會在短時間內(nèi)將自己的能量全部釋放出來，是一種不可控的核聚變裝置。為了利用這種效率極高又清潔無污染的能量產(chǎn)生方式服務(wù)我們的生產(chǎn)與生活，科學(xué)家們一直致力于可控核聚變裝置的研究，使核聚變一段時間內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的向外輸出能量。例如，托卡馬克是一種比較有前景的可控核聚變裝置，它的外形像一個放倒的輪胎，利用磁場束縛住注入其中的帶電粒子，使他們能夠按照人們的控制進行核聚變反應(yīng)。遺憾的是，雖然各個國家都已經(jīng)投入的大量的資源，也建立了ITER等國際合作計劃，但托卡馬克目前仍然處在原理試驗階段，其中核反應(yīng)所釋放的能量能夠?qū)⒑朔磻?yīng)本身維持一百多秒已屬不易，并不能夠額外輸出能量，距離實用化尚有很長一段距離。
（托卡馬克又被稱為“人造太陽”。圖為中科院部署在合肥的先進實驗超導(dǎo)托卡馬克（EAST） 圖片來源：中科院等離子體物理所科普園地）
而太陽，則已經(jīng)穩(wěn)定的進行了約46億年的可控核反應(yīng)，持續(xù)不斷地用光和熱哺育整個太陽系。
那么，控制太陽不變成一顆氫彈的力量來自于哪呢？
（國際空間站上看到的太陽照耀下的地球。圖片來源NASA）
2
它們之間的平衡，使太陽沒有成為一顆氫彈
其實，這種力量就是我們最熟悉的重力，讓牛頓的蘋果落到地面的重力。
從感覺上，司空見慣的重力似乎很難和毀天滅地的核反應(yīng)相匹敵。但量變會引起質(zhì)變，聚合成質(zhì)量相當(dāng)于33萬個地球的太陽的物質(zhì)所產(chǎn)生的重力，已經(jīng)足以控制住核反應(yīng)。事實上，可以說是重力與核反應(yīng)之間的相互作用主宰了太陽的生命印記。
（美麗的獵戶座星云，正在通過聚集物質(zhì)的方式孕育新的恒星。圖片來源：NASA）
太陽這樣的恒星形成于原始星云，在自身重力的作用下，組成原始星云的物質(zhì)不斷向一起聚集收縮，密度和壓強不斷增大。人類制造的核聚變裝置中，無論是不可控的氫彈還是可控的托卡馬克，像啟動汽車發(fā)動機一樣使核聚變開始，是一件相當(dāng)困難的事情。進行核聚變的帶正電荷的原子核間存在靜電斥力，這種斥力像一座大山一樣，橫亙在核聚變發(fā)生的道路上。要觸發(fā)核聚變，就必須先有足夠的能量克服靜電斥力，翻過這座大山，讓發(fā)生聚變的原子核足夠接近。在引爆氫彈時，觸發(fā)核聚變發(fā)生，靠的是先行引爆的一顆小型核裂變原子彈所產(chǎn)生的溫度和壓強。對于托卡馬克，這種“大力出奇跡”的點燃手段顯然不適用，則需要采取歐姆加熱和其他輔助加熱手段共用的方式來讓核聚變開始。
在太陽這樣的恒星形成時，點燃核聚變靠的僅僅是重力的擠壓。由于物質(zhì)本身的壓強產(chǎn)生的向外膨脹的力，不足以抵御驅(qū)動物質(zhì)向內(nèi)收縮的重力，星云中物質(zhì)一邊聚集一邊向內(nèi)收縮的過程可以不斷持續(xù)下去，中心的密度和壓強持續(xù)增高，迫使氫原子核相互接近，進而觸發(fā)了核聚變反應(yīng)開始。同時，恒星中聚集的質(zhì)量又決定了核反應(yīng)的速率。質(zhì)量越大的恒星，中心會受到更大的重力壓迫，產(chǎn)生更高的壓強，使更多的氫原子核相互接近，核反應(yīng)的速率也就更高。
當(dāng)太陽已經(jīng)是一顆成熟的恒星后，核反應(yīng)的速率與恒星物質(zhì)的重力達到了一種簡潔又精巧的平衡。如果太陽從平衡態(tài)向外膨脹，中心受到的擠壓減小，核反應(yīng)的速率將會降低，產(chǎn)生的能量將會減少，恒星中心的溫度將會降低。這樣，恒星中心向外膨脹的力無法支撐恒星向中心收縮的重力，膨脹過程無法持續(xù)。反過來說，如果太陽向中間收縮，將會使核反應(yīng)加速，產(chǎn)生更大的向外膨脹的力，收縮過程同樣無法持續(xù)?？傊?，一旦步入壯年，太陽想向外擴張時后勁不足，想向里收縮時又會受到很大的抵觸，因此只能穩(wěn)定在一個相對固定的個頭上。
（使恒星向內(nèi)坍縮的重力與使恒星向外膨脹的核聚變反應(yīng)在主序恒星階段達到平衡。原始圖片來源：http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/olson1/）
這種精巧的平衡并非我們太陽的專利，而是放之宇宙而皆準(zhǔn)的一個基本原理。科學(xué)家們通過長期的觀測積累后，發(fā)現(xiàn)處于壯年的恒星幾乎都處在這樣一種穩(wěn)定的狀態(tài)中?？茖W(xué)家們把處于這些狀態(tài)的恒星稱之為“主序恒星”。對于這些恒星來說，確切的平衡點位置與恒星的總質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量較大的恒星，平衡狀態(tài)下的核反應(yīng)速率要高于質(zhì)量較小的恒星。
3
太陽的終結(jié)與地球的流浪
如同人有生老病死一樣，上文所說的這種平衡并不能天長地久，總有終結(jié)的一天。與人從衰老走向死亡的過程所不同的是，太陽生命終結(jié)的過程是豐富的、絢爛的、激烈的，在經(jīng)歷一系列膨脹、爆炸與脈動后，最終歸于沉寂。
而在這一切開始之前，人類就得想辦法趕緊開始上路，成為流浪地球了。因為太陽這個天空中的大爐子，隨著時間的增長會越燒越旺。當(dāng)煤爐中的煤燃盡時，我們會想辦法將灰燼請出再加入新煤保持爐火繼續(xù)燃燒。然而，對于太陽這樣的恒星，沒有外部的力量為它完成這個過程。核反應(yīng)消耗氫、形成氦，而產(chǎn)生的氦就堆積在恒星內(nèi)部。由于氦的分子數(shù)要大于氫，因此恒星內(nèi)部的密度將會隨著恒星年齡的增加而增大，內(nèi)部核反應(yīng)的速率也會逐漸增加。研究計算表明，目前太陽的核反應(yīng)速率大概比太陽剛成為主序恒星時大30%，而在55億年后（這個數(shù)字具體多大不同學(xué)者可能會有不同的結(jié)論，但總體上都是幾十億年的數(shù)量級），不斷加快的太陽核反應(yīng)速率使得當(dāng)時太陽輻射出的能量約已經(jīng)是現(xiàn)在的2倍。在如此劇烈的輻射照耀下，地球表面的溫度將超過3百多攝氏度，海洋和湖泊中的液態(tài)水早已被汽化。以我們現(xiàn)在的認(rèn)識（誰也說不好幾十億年中人這種生物將會發(fā)生怎樣的進化），在這種環(huán)境下包括人類在內(nèi)的生物體都是無法生存的。除非當(dāng)時的人們研發(fā)出了能夠遮擋太陽劇烈輻射的裝置，否則就不得不踏上流浪之旅了。此時，雖然地球已經(jīng)成為一個無法為人類生存的世界，但此時的太陽還仍舊處于主序恒星狀態(tài)。
（藝術(shù)家想象的從地球上看到的紅巨星狀態(tài)的太陽。圖片來源https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/r/Red_giant.htm）
1.紅巨星
而再往后，太陽中心區(qū)的氫燃燒殆盡，停止了氫聚變成氦的熱核反應(yīng)，變成了一個氦核。由于沒有的核反應(yīng)對抗重力，恒星中心附近的物質(zhì)開始向核心擠壓，不斷增高核心的溫度。距離核心較遠的一些殘存的氫在核心釋放的高溫作用下被點燃，驅(qū)動的太陽的外層不斷向外膨脹，相繼吞并水星與金星的軌道，并有可能吞沒地球的軌道。此時的太陽已經(jīng)退出了主序恒星的隊伍，變成了一顆紅巨星。（紅巨星是恒星燃燒到后期所經(jīng)歷的一個不穩(wěn)定階段）
（能夠吞并地球軌道的紅巨星太陽，左下角的小黃點是太陽現(xiàn)在的大小。圖片來源wikipedia。）
2.脈動變星
接著，太陽進入了“內(nèi)外兩開花”的狀態(tài)。除了外部的氫殼繼續(xù)發(fā)生核聚變反應(yīng)外，內(nèi)核殘存的氦在不斷增大的溫度作用下被“點燃”，發(fā)生了由氦劇變成碳的核反應(yīng)。相比于最少都是以百萬年為時間單位所衡量的恒星演化過程，氦被點燃的時間短的讓人驚嘆。在數(shù)分鐘的時間內(nèi)，相當(dāng)于太陽質(zhì)量40%的氦被劇烈的“燃燒”成碳，釋放的能量大致相當(dāng)于太陽在當(dāng)前狀態(tài)下持續(xù)數(shù)百萬年所釋放的能量。這種現(xiàn)象被科學(xué)家們稱之為“氦閃”。之后，太陽在繼續(xù)燃燒氦的同時，自身已經(jīng)無法回到平衡的狀態(tài)，不斷的進行膨脹與收縮的交替，稱為一顆脈動變星。（脈動變星，是指由脈動引起亮度變化的恒星，數(shù)量約有200萬個）
（正在發(fā)生氦閃現(xiàn)象的一顆白矮星。圖片來源Wikipedia）
當(dāng)氦也再次燃盡時，太陽的生命也就走到了盡頭。太陽核心的物質(zhì)將塌縮成一顆密度極高的白矮星，而外層物質(zhì)則會向擴張，形成行星狀星云。白矮星的密度極高，一立方厘米的白矮星的質(zhì)就足夠有一噸了。
（屬于行星星云范疇的貓眼星云。圖片來源Wikipedia）
3.地球的命運
那么地球的命運會怎么樣呢？在紅巨星的演化過程中，吞并地球的軌道是大概率事件。之前有學(xué)者認(rèn)為，由于太陽釋放的能量都是質(zhì)量轉(zhuǎn)化來的，由于太陽總質(zhì)量會隨著核反應(yīng)的進行而減少，地球受到的引力會相應(yīng)的減小，地球會自發(fā)的向遠離太陽的方向運動。然而，2008年發(fā)表在《皇家天文學(xué)會月刊》(MNRAS)的一項研究卻發(fā)現(xiàn)潮汐力會遲滯地球遠離太陽的腳步，否定了地球這樣逃出生天的可能。不過，正如前文所述，在太陽變成紅巨星之前，地球就已經(jīng)被烤成了一片不毛之地。如果坐等大自然的力量拯救我們，恐怕已經(jīng)來不及了。
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被眷顧的星球
天文學(xué)家不是算命先生，他們預(yù)知幾十億年后發(fā)生在太陽身上的事情，除了可以依靠理論計算和計算機模擬外，還能通過遙看處于不同“年齡”的漫天恒星來勾勒出恒星演化過程的全貌。牛頓、愛因斯坦以及一眾天文學(xué)家聯(lián)手保證，我們的太陽應(yīng)該會按照這篇文章里所描述的過程走完自己的一生，太陽精巧而簡潔的平衡幾乎不可能被什么因素意外破壞。
因此，大家除了領(lǐng)略電影帶給我們的震撼與感動外，無需擔(dān)心太陽真的會提前開始衰老并吞并地球。雖然小說、影視是虛構(gòu)的創(chuàng)作，但科幻小說和電影能夠以相對正確與真實的背景展開已經(jīng)是相當(dāng)可貴了，不能苛求它在科學(xué)上百分之百的正確。那樣，小說也許就會失去了幻想的翅膀。
同時，《流浪地球》也許能讓我們再次發(fā)現(xiàn)我們的家園——地球的可貴。這是一顆受到上天太多眷顧的星球，它處在太陽周圍的宜居帶里，可以允許液態(tài)水穩(wěn)定存在孕育生命。較強的地磁場屏蔽了太陽高能粒子的侵襲，保護了大氣層不被太陽風(fēng)吹走。太陽不會爆發(fā)過于強大的耀斑，否則地球?qū)⒊掷m(xù)處于強X射線和伽馬射線的轟擊之中。大氣層的密度和成分能夠有效的調(diào)節(jié)溫度，讓我們處于既不冷又不熱的環(huán)境中。適度傾斜的地軸使大部分地區(qū)有了四季的變化。地球軌道之外的太陽系其他大行星又吸引了不少可能撞擊地球的小天體。當(dāng)這些有利的因素集中到一起時，才讓這個星球上有了生生不息、多姿多彩的各種生靈，才孕育了自封為智慧生物的人類。當(dāng)我們將望遠鏡指向浩瀚的宇宙之中，試圖從繁星間找到一顆與我們同樣幸運的行星時，卻始終沒有一個確定性的發(fā)現(xiàn)。如果現(xiàn)在我們就踏上流浪之路，我們并不知道哪里才是我們的安身之地。
（阿波羅8號宇航員在繞月軌道上拍攝的地球圖像。人類有史以來第一次親眼目睹了自己居住的星球從另一個天體的地平線上升起。圖片來源：NASA）
