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张双南:流浪地球的科学与技术

2019/06/21
导读
“我觉得我还能抢救一下”


演讲者 | 张双南( “慧眼”天文卫星首席科学家)

注:本文来自“墨子沙龙”,经授权转载。


  



影片中的科学设定



很兴奋来跟大家做个分享,分享流浪地球的科学与技术。在座看过《流浪地球》影戏的朋友们举下手,很多的,包罗潘建伟院士。没有看过的举一下手,可以勇敢地举起来,今天给大家分享这个影戏。


我自己觉得这部影戏展现出了非常天才的、世界级的科幻想象力,特别过瘾。在美国大片里面美国人天天拯救世界,一部美国大片拯救一次,这次终于轮到中国人脱手了,不但拯救了人类,连地球一块拯救了。影戏的主演是吴京,有朋友说好像吴京每次进场都这样,有点脸谱化。我说这正是我们中国军人和航天人该有的正气。我自己也算是半个航天人,我的职业就是造天文望远镜,造完之后把它放到卫星上面去,然后在卫星上面、在空间站上面探索宇宙,后面两位嘉宾也都是我的同行,也都算是航天人。还有就是影戏里面的审美。影戏里的两个主角从小在地下长大,第一次到了地上之后,给我们展现出来的那个局面艺术效果特别好。影戏里面特别具有想象力的一幅图画就是地球和木星连接起来了,离得很近,木星把地球上的气体吸过去。今天给大家分享的重点,就是适才讲的第一个——科幻想象力,带着地球奔向希望、以及点燃木星这两个特别有想象力的创意和它们背后的科学与技术。


地球为什么要流浪

太阳系宜居区示意图


第一个科学的原理是地球为什么要流浪?先看看地球和太阳的干系(上图),这是太阳,太阳周围有一块绿色的区域,叫做宜居区,就是距离太阳这么近的时候,从太阳接收到的光和热恰到好处,在这个星球上面能够生存。虽然今天地球是处于宜居区里面,所以这个蓝色的地球我们把它叫做活地球。太阳和地球之间的距离,天文上面把它叫做一个天文单位。如果回过去看,46亿年之前,地球产生的时候就处于宜居区里面,太阳系里面就这一个星球从它诞生开始就处于宜居区里面。所以人类是非常幸运的,我们在这个星球上面。


50亿年后,地球将被太阳吞并


今天地球仍然在宜居区里面,但已经很边沿了,随着太阳的演化,再过一小段时间,17.5亿年之后,宜居区就往外走了,因为太阳内部产生的核反响变得越来越剧烈,这样太阳就变大了一些,颜色也变红了一些,宜居区自然就往外走了一些,这个时候地球就出了宜居区了,叫做死地球。如果像《流浪地球》影戏上面所说的,人类有足够的能源,能够想步伐推着地球随着宜居区往外走,是不是就可以一直在地球上面折腾下去了呢,不消考虑移民到别的星球上去了呢?


来看看太阳允不允许这样。今天的太阳其实是不大的,直径只有1%的天文单位,一个天文单位是太阳和地球之间的距离。虽然太阳的光和引力控制着整个太阳系的行为,但是它占的体积非常小。然而再过一段时间,50亿年之后太阳就变得很大了,酿成一个红巨星了,太阳内部的核反响速度加快了,产生辐射太多了,这个时候太阳的半径恰好是一个天文单位,地球就会被太阳吞并。如果不离开地球就没有活路,或者说如果想继续在地球生存下去,可以离太阳远一些。


太阳允许我们这样吗?其实不可。在太阳酿成红巨星的过程当中,它内部会产生一个剧烈的过程——叫做氦闪,在《流浪地球》影戏里面也出现过。太阳今天是一个处于主序阶段的恒星,这个阶段主要通过燃烧氢原子产生氦,随着燃烧区域逐渐往外走,中间酿成了氦原子核,当氦原子核的体积增加的时候,内部中心的温度和密度就会增加,这个时候突然把氦原子核点燃起来,这个过程比烧氢原子核要剧烈:在4分钟的时间里面所产生的能量相当于今天太阳200万年产生的能量。这个时候待在太阳系里也不可以了,即便离太阳远远凌驾一个天文单位也是不可以的。


氦闪(想象图)


但是氦闪就连续4分钟,等它结束之后,再悄悄回来是不是可以呢?那个时候经过了氦闪过程,太阳就会冷却,酿成一个白矮星了,白矮星就真的不折腾了,很稳定。这个时候回来是不是可以?仍然不可以。虽然在外面躲一阵子能够躲过氦闪,但是白矮星自己是不产生能量的,所以待一阵子再回来也是不可的。这就报告人类,无论如何,将来或者离开地球到别的地方去,或者带着地球去流浪。所以影戏的第一个科学原理,地球必须要流浪是建立的,只不外它的时间标准并没有影戏上所说的在几十年之后,上百年之后就会生,而是要几十亿年之后才会生。虽然科幻上时间是可以变的,基本原理是对的。

白矮星(想象图)

为什么要点燃木星?


第二个,影戏里面特别重要的一件事情,就是要点燃木星。


在地球开始流浪之后,第一步想到木星,为什么去木星?因为木星在太阳系的外围,它绕着太阳运动的速度更快,如果到木星的四周,就会被木星引力所俘获,木星的质量是地球质量的500倍,地球就会随着木星的运动而运动,运动到人类想要的偏向之后,再从木星逃出来,这个时候地球就具有很高的速度,就是所谓“引力弹弓效应”。所以影戏里面要往木星那个偏向去。但是在走的过程当中,生了一些事情,木星上生了引力异常,导致驱动地球往前走的行星动机大部分就坏掉了,原来有一万个行星动机,坏掉了七千多个。这个时候由于木星的引力很强,地球就被木星吸着往木星那个地方撞过去。


所以就遇到第一个危机,如果不想步伐阻止地球落到木星,很可能流浪还没开始,就已经球毁人亡了。影戏上说,我们没有步伐把动机修好,唯一的步伐就是把木星炸掉,产生足够多的能量把地球推走,这个时候地球可以继续流浪,这是点燃木星的动机。


木星的氢气和地球的氧气混合


人类能不能点燃木星?利用什么原理?木星的大气里面89%是氢气,地球大气里面21%是氧气,氧气和氢气混合会生化学反响,叫“放热反响”。这是影戏里面特别具有创意的地方,把地球大气里面的氧气和木星大气里面的氢气混合起来产生能量放热,虽然放热过程可以有很多,希望要产生的是爆炸。具备了氢气和氧气混合,这个时候地球距离木星很近了,木星的引力是地球引力的500倍,氧气被吸过去有可能产生这个条件(上图)


燃烧和爆炸


那么具备这个条件就一定能爆炸吗?先看一个实验(动图1),这个实验就是来点燃氢气。氢气罐里放出氢气,拿一根火柴点燃没有爆炸,燃烧起来了,看来爆炸不了。再给大家看一个实验(动图2),这是一个氢气球,里面是氢气,汽车头上带着火,冲过来把氢气球撞开,这个时候氢气出来爆炸了。这边不爆炸,这边爆炸,为什么?


这就是化学反响的一个基本原理。这边氢气浓度太高了,从氢气罐里面出来的氢气浓度太高,生燃烧。这边氢气球爆炸和空气当中的氧气混合,氢气浓度比力低,生爆炸。所以是有步伐爆炸的。而过程中木星从地球吸过去的氧气不会太多,混合的比例是有可能到达4%-75%的,是可以爆炸的。影戏里面这个科学原理也是没有问题的,想的是非常的好。


在座用过煤气罐、煤气灶的举下手,有很多男士都用过,看来在家体现很好,做过饭。我们都有经验,开始点煤气灶的时候有个爆炸,煤气刚出来的时候,比例还比力小,做完饭关煤气灶的时候也是个爆炸,和这个原理一样,但中间过程是燃烧。


重核聚变动机为何“烧石头”


另外一个很重要的科学原理,影戏里面说,行星动机是烧石头获得能量的,往行星动机去的大卡车上装的是石头,烧石头如果也行的话,那么今天在地球上就不会有石油的问题,不会有那么多的麻烦了。


聚变裂变反响


但影戏里面确实是烧石头,到底能不能烧石头?给大家看这张图(上图),这是核物理的一张图,纵轴叫比结合能,就是原子核稳定的水平,值越大原子越稳定。横轴是原子核里面的质量数。这张图顶峰处就是铁,铁是所有核反响——尤其是宇宙当中的核反响最后的产物,到铁就不会再生核反响了,最稳定。这就是为什么地上铁这么多。


如果凭据这个图,把重的原子核变的轻一些它就会释放能量,或者把轻的原子核变得重一些,它也会释放能量。到底行不可呢?虽然可以。从原子核破裂为轻原子核就叫做裂变,这就是原子弹的原理。虽然核电站反响堆里面用的也是这个原理。然而地球上的铀,能用的是铀235特别的少,把地球上所有的铀235全部用掉,够人类用70-80年罢了,然后就没有了。


那聚变能不能做到呢?太阳内部生的就是这个反响。太阳一开始的时候很稳定,就是聚变过程,氢弹也是聚变过程。现在人类最想做成的一件事,就是人工受控的核聚变,也叫做人造太阳。如果这个事情能够做到,人类在今后很多年都能解决能源问题。今天中国在这方面还比力先进,合肥是做这方面研究特别先进的一个地方,然而还没有完全掌握这个技术。即使掌握了,做出来动机推动地球走,也推动不了几多,原因在于地球上氢原子特别少,用不了多久就会用完了。地球上石头多,由镁、铝等一些元素组成特别多。能不能烧石头?能。烧石头这个重核聚变过程,原理上是可以的,宇宙当中天天在干这个。今天(大自然中)的铁就是这么烧出来的,但是人类在实验室里还没有掌握这个技术,所以原理上是可以的,只是还没有掌握技术罢了。


影片中的技术可行性




科学上讲了几个原理都是对的,地球最终需要离开太阳系去流浪,是必须的,并且点燃木星提供能量原理上也是建立的,烧石头重核聚变,也是可以的。那么技术上可不可以呢?科学是原理,技术是手段。技术上能不能做到呢?


地球能够“刹车”吗?


地球自转停止会引起洪水


影戏上面要让地球流浪,第一步先让地球刹车,就是让地球自转停下来。首先看看如果让地球自转停下来会生什么,影戏里面已经展示了非常糟糕的一些事情,好比说海啸,然后会生地动。虽然还会海平面上升,地球上大部分陆地就没有了,所以凌驾一半的人类灭亡了,剩下的一半都只能到地下去生存,这是很欠好的地方。但即便这么欠好,技术上能不能做到呢,原则上用适才所讲的重核聚变烧石头,把这些动机放在赤道上面,沿着地球自转反偏向来喷,喷的时间足够长,是可以做到的。喷几多呢?大提要喷几百年,技术上面这件事情不是太好办,后果也不是太好。


地球能够被推出太阳系吗?


假设让地球自转停下来了,这些行星动机终于推着地球往前走了,能不能把地球推离太阳系呢?适才讲地球石头特别多,可以烧石头来产生足够多的能量。然而要想把地球推走,能量守恒虽然很重要,但主要的物理原理是动量守恒,要往外扔东西,只靠能量是不可的,靠反冲才华往前走。我到火箭射场看到我们团队研制的卫星装到火箭里面之后,就感觉到了,把东西推走是何等的难。我们的卫星2.5吨重,摆在实验室里面特别壮观,我们在卫星前面自豪地留影,但一旦装到火箭里面就看不到了,和巨大的火箭相比卫星算不了什么,所以要把2.5吨重的卫星送到地球的轨道上,还不是推离太阳系,就要用几十吨重的火箭才华推走,扔很多很多东西才行。所以如果考虑动量守恒,虽然烧石头能推地球走,但是等推着地球离开太阳系也不剩啥东西了,去了干什么呢?最后啥也没有了,所以技术上也不是很好的步伐。但是好在这个过程需要2000多年才华跑到那个地方去,这个过程当中,科学家可能已经现了新的能源机制,有新的步伐能够带着地球走。


《流浪地球》影戏画面



地球自转不刹车其实会更好玩

既然有这些技术的问题,那有没有步伐改造呢?


进动和行星动机


现在提供几个思路,这是地球在自转,如果要推着自转的地球往前走,往哪个偏向走呢,沿着地球的自转偏向走就行了。把行星动机放在地球的另外一面,就走了。有些朋友说,只能往这个偏向走,那么要拐弯往木星去,到了那个地方还要调整轨道要拐弯,就没法拐弯了。其实也不难。怎么办呢?就把这两个动机关了,每次动机转到这边的时候就关掉,到这边时就打开。从远处看的时候会非常的漂亮,脑海里想象一下这个图像。地球边转边拐弯,转到一个偏向动机就关掉,另外一个偏向动机就打开了,非常好看的一个图像。


并且还有一个重要的地方,如果地球不自转,有这么多动机在这,那么必须包管所有的动机都均匀的平衡运行,只要有一个动机坏了,往前跑的时候地球就跑歪了,这就是为什么火箭射的过程会歪了的原因,推力不平衡了。如果地球是转动的,即使有一个动机坏掉了,往前跑的时候仍然沿着那个偏向跑,会有一点点进动罢了,(进动:也叫旋进,是指一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转的现象)但还是会沿着自转的偏向非常稳定的跑。所有在天上运行的飞行器里面都要有陀螺,都要有高速的转动,包管飞行器稳定的运行,转动的东西跑起来不但稳定,并且很好玩。扔飞碟的时候,是让飞碟转起来的时候扔跑起来稳,还是不转扔跑起来稳?让它转起来扔稳。所以如果要拍这个影戏续集的话,在这个过程当中,想步伐让地球转起来,这样才华往前跑。


空间站无法给地球提供导航

卫星导航(想象图)


第二个问题,影戏里面为什么有空间站,空间站是给流浪地球导航用的。我们今天知道,天上的卫星都是要靠地面导航,或者是北斗卫星导航的。那么地球也跑了,谁给空间站导航呢?显然今天使用的北斗这个网络是不能给流浪的地球前面的空间站导航的。



地面深空控网也无法使用


地面深空探测网


今天给地球飞行器导航的另外一个步伐是用地球上的很多天线,包罗上海的天马天线,需要丈量卫星的位置,报告卫星在哪里。那么本地球也在流浪的时候,这个空间站的位置谁报告它,所以这个步伐也不可。



给导演支招



到那个时候怎么导航呢,这个跟我自己的研究就有点干系了。


用中子星进行导航


这个地方给大家看的是高速转动的中子星(下动图)。中子星是什么呢?我适才讲了,太阳演化到最后会慢慢的变冷,经过氦闪、红巨星,最后变冷,酿成平静的白矮星。但如果比太阳的质量再大10倍,这样的恒星演化到最后它就会酿成中子星,中子星的密度非常高。在十公里的半径之内,可以放进去两个太阳的质量。如果把地球酿成中子星,地球会是多大?我一个指甲盖这么大,密度非常非常高的天体。做陀螺的时候,绝对不会用棉花做陀螺,会尽可能找密度高的东西做陀螺,因为密度高转的稳定。所以中子星转动是非常稳定的,它如果射信号产生辐射的话,就是非常稳定的时间到达的信号。


高速转动的中子星


在这种情况之下,如果用宇宙当中的很多中子星来导航,就会出现一个很有趣的情况,这是用中子星来导航的一个原理,可以看到在飞行器上面放一个脉冲星的探测器,然后丈量脉冲到达探测器的时间,这样就了解了相对付我们的位置,这样就知道相对付中子星飞行器所处的位置。那么这种情况下,地球流浪的时候,它前面的空间站上面就可以装上脉冲星的探测器,一般来讲用X射线探测器,因为X射线探测器体积比力小,精度非常高,这样空间站就知道它的位置了,就可以带着地球走了。原理上是这样,技术上能不能做到呢?2016年9月15日射了天宫二号空间实验室,在上面带有技物所的载荷,也有高能所的载荷,我是其中的一个载荷,POLAR伽玛暴偏振探测仪,用这个仪器探测到了脉冲星,并且利用这个脉冲星的信号,为天宫二号做了导航验证实验。在一年之后又射了“慧眼”卫星,我也是这个卫星的首席科学家,在这个卫星上装了更多的X射线探测器,利用这些X射线探测器能够更精确的探测脉冲星,然后也用它做了脉冲星导航的验证。 


因此,利用脉冲星给流浪地球导航,不但仅科学原理上是可以的,技术上面已经得到了验证。由于宇宙当中随处都有脉冲星,不但仅是太阳系里面,深空旅行的时候可以用脉冲星导航,出了太阳系到整个银河系,甚至出了银河系到另外一个星系去都可以用脉冲星导航,所以用脉冲星导航,可以浪遍宇宙不迷路,这样就可以解决导航的问题。


点燃木星有更好的步伐


再给导演支一招,这个影戏里面我特别不喜欢的一点,就是把刘培强给弄死了,刘培强是影戏的男一号。我特别喜欢英雄不死、大团圆、英雄救美,这个影戏里都没有,这方面我不喜欢。


洲际导弹点燃木星


他为什么这么做呢,一开始原来不想让刘培强死掉,一开始想用行星动机喷火,喷到木星上去,把木星点燃,后来使劲喷也没喷过去,虽然原理上就不应该喷过去,因为地球和木星之间空间的温度非常低,那个火焰绝对出不了大气层的,出去立刻就灭掉。现喷不外去之后,后来又想能不能送个导弹过去,把木星给打着,后来其中一个小孩说,导弹的射程好像不敷。


我们看看导弹的射程是什么(上图),这是上海科技馆,从这一个洲际导弹出去,然后出了大气层,出了大气层之后,调整一下偏向,显然冲着地球劈面那个偏向去的,地球劈面是美国。到美国,到华盛顿上空了,然后开始进入大气层,美国一看冲着华盛顿过来了,它地面的爱国者号拦截导弹就起飞了,咱们及时做一个轨道的机动,躲过拦截的导弹,拦截没有乐成,然后就到了华盛顿上空,然后又出动了一次拦截导弹,又没有拦住,然后就落下来了,白宫就炸掉了。从上海科技馆导弹,到全球哪个地方都没有问题,然而这个射程恰好是地球,从地球这边打到另一面。所以影戏上射不到木星,这是一个天大的误解。在影戏上,地球和木星离得很近了,地球上大气都已经被木星给吸过去了,所以只要这个导弹出了地球的大气层,你把动机关了,它冲着木星就吸过去了,基础不消管它,基础没有射程的问题。


点燃木星


其实你拿一个手枪瞄准木星开一枪,这个子弹就会打到木星上面去,到那个时候,因为地球大气都已经被吸过去了,射程完全不是问题,真正想在地球上把木星给点燃一个洲际导弹是没有问题的,完全不消让刘培强牺牲,完全没有须要。然而还有更好的步伐,在地球上面用激光武器瞄准木星这个点,按钮一按啪一下就点着了。有这么强的激光武器吗?有。为什么呢?前面已经交代了,烧石头产生重核聚变可以推动地球走,烧石头的前提是要产生非常非常高的温度。今天我们烧不着石头,点不着石头,用火柴跟打火机烧石头试试,点不着,它要求的温度非常高,怎样才华点着,非常高强的激光对着照射才可以。今天在合肥或者在四川做人工受控核聚变最基本的要求就是要有强激光。但今天激光还不敷强,点不着石头,但是影戏里面已经能用重核聚变动机了,所以一定能点着石头,所以那个时候应该有这么强的激光。但是可能有朋友是杠精,坚持说那个时候是和平时期,有激光是有激光,但不一定有激光武器,并且洲际导弹可能已经都销毁了已经开始和平了,大家一块去流浪了,要这些武器干啥,可能都已经没有了。


小行星带(想象图)


那么到底会不会有武器?这是地球,这是火星,这是木星,从地球要去木星,先要经过一个地方,叫小行星带,地球上的恐龙哪去了?科技馆有很多的恐龙化石、模型,活的恐龙没有了,小行星撞击导致恐龙没了,一个小行星撞击恐龙就没了,再来一次小行星撞击,人类也没了。怎么制止小行星撞击,现在看来比力好的步伐就是用洲际导弹或者是激光武器,当人类计算出某一个小行星很可能要幢地球的时候,射一个洲际导弹,或者用强激光武器照射一下,改变它的轨道,让它和地球擦肩而过就行了。要想从地球到木星,中间要经过这个小行星带,所以必须要携带大量的洲际导弹和激光武器才有可能度过这个难关。并且经过了木星这一关,影戏上说,终于经过了木星,开始正式流浪了,事情就完了吗?没完,还有一个外行星带,外行星带里小行星更多,所以还要冲出外行星带才可以,流浪的时候洲际导弹和强激光武器是刚需,带着这些不是为了搪塞外星人,是为了搪塞这些小行星,这样才华开始真正的流浪。


刘培强:“我觉得我还能抢救一下”


最后再给导演支一招,我前面讲了,我不喜欢把刘培强给弄死,然而影戏上有刘培强牺牲的实锤镜头吗?谁也没看到,也没开追悼会,所以很可能刘培强没有真的牺牲,在下一集的时候可以让他神秘的回来。


《流浪地球》影戏场景


特别伟大的科学家霍金先生在去世之前,留下了一个重要的科技遗产,就是“突破摄星”计划,是指射特别多很小的飞行器,带着相机飞到流浪的目的地,那个三体系统去拍摄照片,了解那边的情况,把那边的情况侦查清楚。在我们终于躲过了木星这一劫,开始正式流浪之后不久这些照片已经回来了,我们已经搞清楚那个地方的情况了,很可能情况不是像以前想的那样,在这个过程中,还会遇到很多艰难险阻,刘培强还有好多事情可以做,所以第一集就让他这么牺牲掉实在不可,一定要把他救回来。如果大家注意的话,这个影戏里面从价值观的角度来讲,有一点是不能令人满意的。在这个里面女性的角色特别弱,竟然没有一个女英雄出现,虽然也没有英雄救美的情节出现。所以刘培强要回来,要有一段英雄救美,最后要和这个女英雄一起,不但是要拯救人类和地球,最后还要把三体系统一起给救了,这样才是真正的过瘾。谢谢大家!


制版编辑 | 潺潺

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中国科学院高能物理研究所研究员、粒子天体物理中心主任
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