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《流浪地球》天體物理知識科普

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在這里,牛津劍橋的offer是可以量產的!

這就是傳說中的唯尋牛劍精英營!

圖注:《流浪星球》宣傳海報
大年初一,根據劉慈欣的小說《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

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

地球逃離計劃得以實施,地球成了一個交通工具。具體做法,是先進入“剎車時代”,讓地球停止自轉

然后是“逃逸時代”,全功率開動安裝在全球的發動機,逃離太陽系。然后進入“流浪時代I”,繼續加速,飛向比鄰星

然后是“流浪時代II”進行漫長的減速。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),成為這顆恒星的衛星

1

  關于太陽的衰老和死亡  

紅巨星


當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,它將首先變為一顆紅巨星。紅巨星是恒星燃燒到后期所經歷的一個較短的不穩定階段,根據恒星質量的不同,歷時只有數百萬年不等,這與恒星幾十億年甚至上百億年的穩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,因為它們的體積非常巨大。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

恒星依靠其內部的熱核聚變而熊熊燃燒著。核聚變的結果,是把每四個氫原子核結合成一個氦原子核,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)部分發生,輻射壓與它自身收縮的引力相平衡,恒星內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 ,中心核產生的能量已經不足以維持其輻射,于是平衡被打破,引力占了上風,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

這以后恒星演化的過程是:內核收縮、外殼膨脹——燃燒殼層內部的氦核向內收縮并變熱,而其恒星外殼則向外膨脹并不斷變冷,表面溫度大大降低。這個過程僅僅持續數十萬年,這顆恒星在迅速膨脹中變為紅巨星。氦聚變最后的結局,是在中心形成一顆白矮星

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

2

  利用木星加速

 引力彈弓效應

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,也就是把行星當作“引力助推器”。

利用引力彈弓使我們能探測冥王星以內的所有行星。在航天動力學和宇宙空間動力學中,所謂的引力助推(也被稱為引力彈弓效應或繞行星變軌)是利用行星或其他天體的相對運動和引力改變飛行器的軌道和速度,以此來節省燃料、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,地球上的行星發動機是無法把地球加速至第三宇宙速度的,無法達到第三宇宙速度就無法飛出太陽系

圖注:彈力弓效應示意圖,直線是木星軌跡,曲線是地球軌跡

當地球以某一個角度接近木星的時候,引力彈弓效應就開始悄然發生了。這個過程其實可以被當作一個彈性作用(elastic interaction)。流浪的地球逐漸進入木心強大的引力場,獲得加速度之后再次被“甩”出去。為了便于理解,其實可以把它當成動量中的彈性“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,真實情況要復雜許多)

圖注:證明彈性碰撞中速度差保持不變的過程

3

  關于地球的解體  

   洛希極限

圖注:地球的部分大氣層已被木星的引力吸走、

洛希極限是指當行星與衛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。這個使衛星解體的距離的極限值是由法國天文學家洛希首先求得的,因此稱為洛希極限。當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。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為是這個茶杯對水滴的“洛希極限”

木星的引力場,實際上就是這樣一個“茶杯”。地球尺寸很大,當它靠近木星時,離木星較近一側受到的引力,將比較遠一側大得多,因此會像水滴一樣被逐漸撕裂

《流浪地球》電影中,地球已經到達了地木“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;而巖石還勉強能憑借自身的硬度堅持一會兒

再靠近木星一點,地球將進入地木“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,地球將徹底解體

在土星引力場的作用下高速運動,最終成為了土星環的一部分

4

  核聚變發動機  

真的能燒石頭?

劉慈欣的科幻小說也經常涉及核聚變堆的概念,核聚變確實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動機,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過程,而是組成石頭的元素的原子核發生聚變的燃燒。

圖注:給聚變行星發動機提供燃料的巨大礦山車輛

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

宇宙當中,這些元素的核聚變發生在大質量恒星演化末期的核心處,這里的大質量最少也要8顆太陽質量以上了。實際上,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“我們其實都是核廢料”

如果想對天文學有一個整體的了解,可觀看下面這個紀錄片:

史上100個偉大發現-天文學。該紀錄片展現了宇宙奧妙神奇的面貌,講述了人類歷史上13個天文學的重大發現(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)

老王看后其實還是有很多疑問的?看看同學是否也有(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有技術?

除了半人馬座比鄰星可以作為逃離目標。如果發生“意外”,有沒有備選方案?

現實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?

如果同學們對天體物理學感興趣,大學本科階段就開始設置相關學科:

天體物理

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

其他物理學領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分支及之間的關系

物理專業英國學校介紹:
蜘蛛俠:平行世界——觀影前帶你掌握相關物理學知識| 物理及天體學Physics & Astronomy

唯尋物理名師介紹:

用“拼圖法”學物理的劍橋鬼才|名師專訪:Shengyuan


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