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流浪地球:注定要流浪的地球
发布时间:2019-02-21   点击次数:521次

太阳急速衰老,即将毁灭地球,人类不得不推动地球逃亡。为此,人类造了上万台行星发动机,利用其巨大的推力把地球推离公转轨道,飞离太阳系,准备飞向半人马星座的比邻星。这是春节刷屏的国产硬核科幻电影《流浪地球》的主要剧情。

《流浪地球》中有两个基本设定:一是太阳衰老后体积扩大数百倍,对地球造成毁灭性威胁,地球必须踏上流浪之路,其二是推动地球流浪的重核聚变发动机。

这两个设定,都有物理理论依据,且都涉及到核能的另一支柱:聚变能。

聚变能,是宇宙的能量源泉,所谓宇宙之火。宇宙中无数恒星的形成,成长,直至衰亡,都是核聚变直接推动的。对于我们来说,核聚变既孕育了太阳系,也迫使地球逃离太阳系。

让我们从宇宙早期恒星的形成说起吧。

一、太阳系的诞生

在大爆炸之初,近似真空的宇宙中(每立方厘米空间中含有一个氢原子),稀疏的弥散着无数的氢和氦,这些物质因为万有引力而相互吸引,逐渐形成了一团一团的星云。随着密度的增加,星云内的温度也不断升高,渐渐聚集成恒星早期的原始星云。

原始星云继续收缩,渐渐形成了原始恒星。而星云收缩的湍流让原始恒星开始缓慢的自转

原始恒星的自转将表面的尘埃物质集中在其赤道面附近,由于离心力的作用,一部分物质被甩出来,形成星子,星子之间相互碰撞,聚合,形成绕原始恒星旋转的行星胚胎。同时,主要成分为氢气的原始恒星依然在继续不断塌缩。

随着原始恒星继续塌缩,原始恒星核心的压力和温度不断上升,氢原子重新变为等离子体状态。当恒星核的密度和温度满足条件时,发生初的轻核聚变反应:

四个氢核聚变为一个氦核,释放出巨大的聚变能。

一颗新恒星在苍茫的宇宙中诞生,照亮宇宙的一角。太阳就是如此诞生的。

随后,围绕恒星运转的行星胚胎,则发育为原始的行星。地球就是如此诞生的。

先有万有引力形成星胎,后有轻核聚变的质能转化点亮宇宙,这是宇宙中星系形成的基本过程。

正是按这个次序,《流浪地球》中,麦克隋在危机情况下先拜牛顿,再拜爱因斯坦,显示了我国未来年轻人较高的科学素养。

二、不是每个恒星都是太阳

当我们把恒星按质量大小排列,在观察它们就会发现,随着恒星质量线性增加,恒星放射出的能量却呈数量级的增加,毕竟,聚变这种宇宙之火烧到越旺,其氢燃料的消耗也就越快。

恒星质量大不一定好,因为大恒星都是短寿的。而恒星质量小,虽然长寿,却只能苟安于宇宙一角,因为其发出的能量相对有限。

地球化40多亿年的时间孕育生命,需要两个条件,能量和时间。进化需要漫长的时间,而能量则为生命注入动力。

一颗小恒星的光热不足以让地球孕育生命,一颗大恒星由于寿命太短,几百万年寿命也根本不足以让地球上的原始汤进化出高等生物。

只有太阳这种中等质量的恒星,才能在时间和能量两个方面取得平衡,使地球在太阳一百亿年寿命中,花40亿年让地球进化出人类,再提供60亿年时间,让人类找到太阳衰亡后的未来。

三、地球注定流浪

        

现在,太阳诞生近50亿年,正值壮年,也是人类发展的黄金时期,但这种黄金时期不可能永恒存在,因为太阳也有寿命。

宇宙中,红,白矮星,红矮星,黑矮星,蟹状星云,黑洞,都是恒星死亡后的尸骸,作为一颗普通的恒星,太阳也有死亡的那天。

随着聚变反应的进行,太阳内部的氢不断被消耗,形变一个不能发生核聚变的氦核,维持太阳光热的能量,只能来源于氦核外层的氢聚变反应。随着时间推移,氦核越来越大,氦核周围的温度和密度越来越低。

当氢的消耗达到15%时,太阳就开始不稳定了。这个时候,太阳开始走向生命的终点。这是约50亿年后的事。

这个时候,地球能留在原地,送太阳母亲一程吗?不行!因为太阳的死亡是狂暴的,他要毁灭周围的一切!

太阳的氦核由于不产生能量,所以其温度是一样的,称之为同温氦核。当这个氦核质量达到太阳质量的15%左右时,氦核内部温度顶不住自身引力,会猛烈的向中心塌缩。

塌缩会使得氦核产生巨大的能量。这些能量使得太阳的外壳开始急剧膨胀,增加到原来体积的数百倍,这个时候,如果地球还停留在原来的位置,会被烧得连渣都不剩。

这个时候,地球不得不离开太阳,寻找新的母星作为依靠。《流浪地球》虽然是科幻小说的情景,但地球却真的注定要流浪。

世界末日是真实存在的,只是在50亿年之后。所以正如刘慈欣所说:“总要有人思考世界末日。”

四、终ji解决方案,重核聚变

地球在宇宙中流浪,需要消耗巨大的能量,如《流浪地球》中所描述,zui理想的能源是聚变能。但是普通的氢聚变不仅成本高,而且地球上氢储量,也根本无法支撑地球克服太阳的引力去流浪。

地球靠什么流浪?太阳已经给人类提供了解决方案,重核聚变。

要推动地球要流浪,人类所能想到的靠谱的能量,只能来源于重核聚变(尽管这个设定细节上有许多BUG)。

关于重核聚变,《流浪地球》中并没有细说,只是简单地说了一句“烧石头”。但这些科幻情节,在宇宙中其实每天都在发生。

太阳在同温氦核塌缩后,马上涅槃重生,变为了一颗红。此时的太阳,将进行一种更惊艳的核聚变反应:氦核聚变。

在可控核聚变都还是梦想的今天,谈重核聚变似乎太过于科幻。但事实上,华丽变身后,成为红的太阳,正是靠着重核聚变能,维持它的新的生命历程。

太阳氦核的塌缩,使得太阳中心的温度继续升高。当温度达到1亿度,密度达到1吨每立方厘米时,氦核开始发生聚变反应。

两个氦核聚变生成一个铍核,并发出的伽马射线。

同时,

一个氦核和一个铍核反应,生成一个碳核,并发出伽马射线。

此时,涅槃后的太阳作为一颗新生的红,继续点亮宇宙。约10亿年后,当氦消耗得差不多的时候,如同太阳次塌缩一样,太阳继续塌缩,产生更高的温度和密度。这个时候,进一步的重核聚变反应继续发生:

碳和氢聚变形成氧,氧继续聚变,形成氖和镁……

随着太阳中心温度和密度继续升高,这些聚变生成的重核再继续聚变,后,核心温度可以达到10亿度以上,聚变反应直到聚变为铁终止。因为铁之后的聚变反应,不产生能量,而是要吸收能量。

在宇宙中,一百亿年很短,太阳在红的后阶段,可能会发生超新星爆发,用自己后的能量照亮宇宙,形成瑰丽奇妙的星云,一如现在的蟹状星云,而余下的内核,则变成白矮星,然后变成红矮星,终变成不发光的黑矮星,成为自己在宇宙中的后形象。

而太阳物质抛射形成的星云,又可能重新聚合,形成新的恒星或行星,孕育新的智慧生命。

不论从时间和空间上来说,人类都是渺小的,在宇宙中连一粒尘埃都算不上。我们常常用蚍蜉撼大树,来嘲笑他人自不量力。从上帝视角看,人类这些尘埃都算不上的东西去思考整个宇宙,岂不是有点荒唐?

然而,如果蚍蜉真的撼动了大树,那种震撼绝不亚于超新星爆发。而人类以其智慧撼动的宇宙的一角,那种震撼也非言语可以形容的。

在《流浪地球》中,当观众看到地球被可以验证的物理原理推动(虽然有BUG),缓慢远离地球时,观众感受到的不仅仅是震撼,还能看到撼动宇宙的希望,这正是刘慈欣的硬科幻魅力之所在。

这里,再展望一下核聚变。目前,虽然离掌握可控的氢聚变还有一段距离,但人类在可控核聚变方面已经取得了很大的进展,人类的思想,应该可以不惧怕时间。

也有人过于乐观,认为掌握了可控核聚变技术就等于掌握了宇宙终ji能源,但实际上,掌握氢聚变,只是迈出探索聚变技术的步,更苛刻的重核聚变技术,终将需要人类去探索。

毕竟,地球注定要流浪。

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