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《流浪地球》天體物理知識科普

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圖注:《流浪星球》宣傳海報
大年初一,根據(jù)劉慈欣的小說《流浪地球》改編的同名電影《流浪地球》在全國上映。老王百忙之中(無聊)慕名到電影院去觀看了影片。整部電影氣勢恢宏,講述了太陽將變成紅巨星,人類驅(qū)動地球逃離太陽系的故事。沒有劇透成分

這部硬核科幻里蘊(yùn)涵了諸多物理學(xué)原理,想擁有更為卓越的觀影體驗(yàn),弄清楚這些東西是十分重要的

地球逃離計劃得以實(shí)施,地球成了一個交通工具。具體做法,是先進(jìn)入“剎車時代”,讓地球停止自轉(zhuǎn)

然后是“逃逸時代”,全功率開動安裝在全球的發(fā)動機(jī),逃離太陽系。然后進(jìn)入“流浪時代I”,繼續(xù)加速,飛向比鄰星

然后是“流浪時代II”進(jìn)行漫長的減速。最后是新太陽時代,即地球泊入比鄰星軌道(《三體》中的三體文明就存在于這里),成為這顆恒星的衛(wèi)星

1

  關(guān)于太陽的衰老和死亡  

紅巨星


當(dāng)一顆恒星度過它漫長的青壯年期——主序星階段,步入老年期時,它將首先變?yōu)橐活w紅巨星。紅巨星是恒星燃燒到后期所經(jīng)歷的一個較短的不穩(wěn)定階段,根據(jù)恒星質(zhì)量的不同,歷時只有數(shù)百萬年不等,這與恒星幾十億年甚至上百億年的穩(wěn)定期相比是非常短暫的。紅巨星時期的恒星表面溫度相對很低,但極為明亮,因?yàn)樗鼈兊捏w積非常巨大。在赫羅圖上,紅巨星是巨大的非主序星,光譜屬于K或M型

圖片來自唯尋的課件

恒星依靠其內(nèi)部的熱核聚變而熊熊燃燒著。核聚變的結(jié)果,是把每四個氫原子核結(jié)合成一個氦原子核,并釋放出大量的原子能,形成輻射壓。處于主星序階段的恒星,核聚變主要在它的中心(核心)部分發(fā)生,輻射壓與它自身收縮的引力相平衡,恒星內(nèi)部氫的燃燒消耗極快,中心形成氦核并且不斷增大

隨著時間的延長,氦核周圍的氫越來越少 ,中心核產(chǎn)生的能量已經(jīng)不足以維持其輻射,于是平衡被打破,引力占了上風(fēng),有著氦核和氫外殼的恒星在引力作用下收縮坍塌,使其密度、壓強(qiáng)和溫度都急劇升高,氫的燃燒向氦核周圍的一個殼層里推進(jìn)

這以后恒星演化的過程是:內(nèi)核收縮、外殼膨脹——燃燒殼層內(nèi)部的氦核向內(nèi)收縮并變熱,而其恒星外殼則向外膨脹并不斷變冷,表面溫度大大降低。這個過程僅僅持續(xù)數(shù)十萬年,這顆恒星在迅速膨脹中變?yōu)榧t巨星。氦聚變最后的結(jié)局,是在中心形成一顆白矮星

太陽在引力坍縮期內(nèi)會持續(xù)變大,體積會一直膨脹至現(xiàn)在太陽的992萬倍,其太陽外表會直接到達(dá)地球軌道,吞沒地球與月球

2

  利用木星加速

 引力彈弓效應(yīng)

圖注:卡西尼探測器所利用木星引力彈弓做加速示意圖

引力彈弓就是利用行星的重力場來給太空探測船加速,將它甩向下一個目標(biāo),也就是把行星當(dāng)作“引力助推器”。

利用引力彈弓使我們能探測冥王星以內(nèi)的所有行星。在航天動力學(xué)和宇宙空間動力學(xué)中,所謂的引力助推(也被稱為引力彈弓效應(yīng)或繞行星變軌)是利用行星或其他天體的相對運(yùn)動和引力改變飛行器的軌道和速度,以此來節(jié)省燃料、時間和計劃成本。

引力助推既可用于加速飛行器,也能用于降低飛行器速度。

那為什么流浪地球計劃為什么一定要利用引力彈弓效應(yīng)呢?不用可以嗎?答案是不利用木星的引力加速,地球上的行星發(fā)動機(jī)是無法把地球加速至第三宇宙速度的,無法達(dá)到第三宇宙速度就無法飛出太陽系

圖注:彈力弓效應(yīng)示意圖,直線是木星軌跡,曲線是地球軌跡

當(dāng)?shù)厍蛞阅骋粋€角度接近木星的時候,引力彈弓效應(yīng)就開始悄然發(fā)生了。這個過程其實(shí)可以被當(dāng)作一個彈性作用(elastic interaction)。流浪的地球逐漸進(jìn)入木心強(qiáng)大的引力場,獲得加速度之后再次被“甩”出去。為了便于理解,其實(shí)可以把它當(dāng)成動量中的彈性“碰撞”,即能量和動量都守恒的“碰撞”。在這種“碰撞”中,兩個物體的速度差會保持不變(這個在下圖中會有所證明)。所以說如果一開始在引力彈弓作用之前地球和木星相向而行,地球的速度是v1,木星的速度是v2,他們的速度差是v1+v2,那么在作用之后,地球和木星變成了通向而行,木星速度依然是v2,為了保持速度差不變,地球的速度會變成v1+v2+v2,所以說地球的速度增加了2個v2,這是何等的高妙啊。(當(dāng)然,這個情況過于理想,只是為了方便大家理解而簡化的,真實(shí)情況要復(fù)雜許多)

圖注:證明彈性碰撞中速度差保持不變的過程

3

  關(guān)于地球的解體  

   洛希極限

圖注:地球的部分大氣層已被木星的引力吸走、

洛希極限是指當(dāng)行星與衛(wèi)星距離近到一定程度時,潮汐作用就會使天體本身解體分散。這個使衛(wèi)星解體的距離的極限值是由法國天文學(xué)家洛希首先求得的,因此稱為洛希極限。當(dāng)天體和第二個天體的距離為洛希極限時,天體自身的重力和第二個天體造成的潮汐力相等。如果它們的距離少于洛希極限,天體就會傾向碎散,繼而成為第二個天體的環(huán)。它以首個計算這個極限的人愛德華·洛希的名字命名

計算表明,地球和木星的距離如果低于103萬公里,那么大氣就會在潮汐力的作用下脫離地球;如果距離低于7.44萬公里,那整個地球都會被撕碎。

潮汐力有多可怕,我們拿一個茶壺和茶杯舉例子:

我們在杯壁頂部倒一些水,讓它在重力作用下向著杯底滑落。越靠近杯底,水滴會越拉越長,最后被拉扯到了撕裂的極限。這個極限就可以被認(rèn)為是這個茶杯對水滴的“洛希極限”

木星的引力場,實(shí)際上就是這樣一個“茶杯”。地球尺寸很大,當(dāng)它靠近木星時,離木星較近一側(cè)受到的引力,將比較遠(yuǎn)一側(cè)大得多,因此會像水滴一樣被逐漸撕裂

《流浪地球》電影中,地球已經(jīng)到達(dá)了地木“流體洛希極限”(地木距離103萬公里)。在此處,液體和氣體不再能被地球引力束縛,而傾向于逃逸;而巖石還勉強(qiáng)能憑借自身的硬度堅持一會兒

再靠近木星一點(diǎn),地球?qū)⑦M(jìn)入地木“剛體洛希極限”(地木距離7.44萬公里)。在此處,就連堅硬的巖石都會被引力差撕碎,地球?qū)氐捉怏w

在土星引力場的作用下高速運(yùn)動,最終成為了土星環(huán)的一部分

4

  核聚變發(fā)動機(jī)  

真的能燒石頭?

劉慈欣的科幻小說也經(jīng)常涉及核聚變堆的概念,核聚變確實(shí)是一勞永逸地解決人類能源問題的終極手段。

在電影《流浪地球》中,為了推動地球離開太陽系,人類在地球上建造了上萬座高聳入云的核聚變發(fā)動機(jī),燃燒的不是氫,也不是氦,而是石頭,真佩服大劉的知識面和想象力。大劉的燒石頭不是燒成石灰石的化學(xué)過程,而是組成石頭的元素的原子核發(fā)生聚變的燃燒。

圖注:給聚變行星發(fā)動機(jī)提供燃料的巨大礦山車輛

石頭的組成元素非常復(fù)雜,但主要是氧、硅、鋁和鈣等等這些原子序數(shù)較大的元素。這些元素能聚變嗎?能!但實(shí)際上,難度恐怕高階外星人也做不到吧。

宇宙當(dāng)中,這些元素的核聚變發(fā)生在大質(zhì)量恒星演化末期的核心處,這里的大質(zhì)量最少也要8顆太陽質(zhì)量以上了。實(shí)際上,我們身邊的元素,除了氫和氦,基本都是在恒星燃燒、超新星爆炸以及中子星合并過程中形成的。有句話說的很好“我們其實(shí)都是核廢料”

如果想對天文學(xué)有一個整體的了解,可觀看下面這個紀(jì)錄片:

史上100個偉大發(fā)現(xiàn)-天文學(xué)。該紀(jì)錄片展現(xiàn)了宇宙奧妙神奇的面貌,講述了人類歷史上13個天文學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)(有中文字幕)

https://m.bilibili.com/video/av14368496.html?share_source=weixin&ts=1549697443&share_medium=iphone&bbid=1634137731bdbf6ad3ea56a29867f182&from=groupmessage&isappinstalled=0

(復(fù)制以上鏈接即可觀看)

劉慈欣的《流浪地球》喚起了我們對于硬科技的向往和追求

終于可以“往前看”,而不是“往后看”

(如果不知道劉慈欣可以谷歌一下)

老王看后其實(shí)還是有很多疑問的?看看同學(xué)是否也有(或者更多更深)——

除了流浪地球,還有什么其他生存方案嗎?如果有需要突破目前哪些現(xiàn)有技術(shù)?

除了半人馬座比鄰星可以作為逃離目標(biāo)。如果發(fā)生“意外”,有沒有備選方案?

現(xiàn)實(shí)中真的能移動地球么?如果可以,需要多少頓推力才能逃離太陽引力?

如果同學(xué)們對天體物理學(xué)感興趣,大學(xué)本科階段就開始設(shè)置相關(guān)學(xué)科:

天體物理

天體物理學(xué)是物理學(xué)和天文學(xué)的一個分支。它研究天空物體的性質(zhì)及它們的相互作用。天空物體包括星、星系、行星、外部行星,宇宙整體

其他物理學(xué)領(lǐng)域可以看之前的一篇文章

物理分支介紹及普及:
物理科普 | 一張圖帶你讀懂物理學(xué)分支及之間的關(guān)系

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