? 張雙南:流浪地球的科學與技術-深度-知識分子

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    張雙南:流浪地球的科學與技術

    2019/06/21
    導讀
    “我覺得我還能搶救一下”


    演講者 | 張雙南( “慧眼”天文衛星首席科學家)

    注:本文來自“墨子沙龍”,經授權轉載。


      



    影片中的科學設定



    很高興來跟大家做個分享,分享流浪地球的科學與技術。在座看過《流浪地球》電影的朋友們舉下手,很多的,包括潘建偉院士。沒有看過的舉一下手,可以勇敢地舉起來,今天給大家分享這個電影。


    我自己覺得這部電影展現出了非常天才的、世界級的科幻想象力,特別過癮。在美國大片里面美國人天天拯救世界,一部美國大片拯救一次,這次終于輪到中國人出手了,不僅拯救了人類,連地球一塊拯救了。電影的主演是吳京,有朋友說好像吳京每次出場都這樣,有點臉譜化。我說這正是我們中國軍人和航天人該有的正氣。我自己也算是半個航天人,我的職業就是造天文望遠鏡,造完之后把它放到衛星上面去,然后在衛星上面、在空間站上面探索宇宙,后面兩位嘉賓也都是我的同行,也都算是航天人。還有就是電影里面的審美。電影里的兩個主角從小在地下長大,第一次到了地上之后,給我們展現出來的那個場面藝術效果特別好。電影里面特別具有想象力的一幅圖畫就是地球和木星連接起來了,離得很近,木星把地球上的氣體吸過去。今天給大家分享的重點,就是剛才講的第一個——科幻想象力,帶著地球奔向希望、以及點燃木星這兩個特別有想象力的創意和它們背后的科學與技術。


    地球為什么要流浪

    太陽系宜居區示意圖


    第一個科學的道理是地球為什么要流浪?先看看地球和太陽的關系(上圖),這是太陽,太陽周圍有一塊綠色的區域,叫做宜居區,就是距離太陽這么近的時候,從太陽接收到的光和熱恰到好處,在這個星球上面能夠生存。當然今天地球是處于宜居區里面,所以這個藍色的地球我們把它叫做活地球。太陽和地球之間的距離,天文上面把它叫做一個天文單位。如果回過去看,46億年之前,地球產生的時候就處于宜居區里面,太陽系里面就這一個星球從它誕生開始就處于宜居區里面。所以人類是非常幸運的,我們在這個星球上面。


    50億年后,地球將被太陽吞并


    今天地球仍然在宜居區里面,但已經很邊緣了,隨著太陽的演化,再過一小段時間,17.5億年之后,宜居區就往外走了,因為太陽內部產生的核反應變得越來越劇烈,這樣太陽就變大了一些,顏色也變紅了一些,宜居區自然就往外走了一些,這個時候地球就出了宜居區了,叫做死地球。如果像《流浪地球》電影上面所說的,人類有足夠的能源,能夠想辦法推著地球跟著宜居區往外走,是不是就可以一直在地球上面折騰下去了呢,不用考慮移民到別的星球上去了呢?


    來看看太陽允不允許這樣。今天的太陽其實是不大的,直徑只有1%的天文單位,一個天文單位是太陽和地球之間的距離。雖然太陽的光和引力控制著整個太陽系的行為,但是它占的體積非常小。然而再過一段時間,50億年之后太陽就變得很大了,變成一個紅巨星了,太陽內部的核反應速度加快了,產生輻射太多了,這個時候太陽的半徑恰好是一個天文單位,地球就會被太陽吞并。如果不離開地球就沒有活路,或者說如果想繼續在地球生存下去,可以離太陽遠一些。


    太陽允許我們這樣嗎?其實不行。在太陽變成紅巨星的過程當中,它內部會產生一個劇烈的過程——叫做氦閃,在《流浪地球》電影里面也出現過。太陽今天是一個處于主序階段的恒星,這個階段主要通過燃燒氫原子產生氦,隨著燃燒區域逐漸往外走,中間變成了氦原子核,當氦原子核的體積增加的時候,內部中心的溫度和密度就會增加,這個時候突然把氦原子核點燃起來,這個過程比燒氫原子核要劇烈:在4分鐘的時間里面所產生的能量相當于今天太陽200萬年產生的能量。這個時候待在太陽系里也不可以了,即便離太陽遠遠超過一個天文單位也是不可以的。


    氦閃(想象圖)


    但是氦閃就持續4分鐘,等它結束之后,再悄悄回來是不是可以呢?那個時候經過了氦閃過程,太陽就會冷卻,變成一個白矮星了,白矮星就真的不折騰了,很穩定。這個時候回來是不是可以?仍然不可以。雖然在外面躲一陣子能夠躲過氦閃,但是白矮星自己是不產生能量的,所以待一陣子再回來也是不行的。這就告訴人類,無論如何,將來或者離開地球到別的地方去,或者帶著地球去流浪。所以電影的第一個科學原理,地球必須要流浪是成立的,只不過它的時間尺度并沒有電影上所說的在幾十年之后,上百年之后就會發生,而是要幾十億年之后才會發生。當然科幻上時間是可以變的,基本原理是對的。

    白矮星(想象圖)

    為什么要點燃木星?


    第二個,電影里面特別重要的一件事情,就是要點燃木星。


    在地球開始流浪之后,第一步想到木星,為什么去木星?因為木星在太陽系的外圍,它繞著太陽運動的速度更快,如果到木星的附近,就會被木星引力所俘獲,木星的質量是地球質量的500倍,地球就會隨著木星的運動而運動,運動到人類想要的方向之后,再從木星逃出來,這個時候地球就具有很高的速度,就是所謂“引力彈弓效應”。所以電影里面要往木星那個方向去。但是在走的過程當中,發生了一些事情,木星上發生了引力異常,導致驅動地球往前走的行星發動機大部分就壞掉了,本來有一萬個行星發動機,壞掉了七千多個。這個時候由于木星的引力很強,地球就被木星吸著往木星那個地方撞過去。


    所以就遇到第一個危機,如果不想辦法阻止地球落到木星,很可能流浪還沒開始,就已經球毀人亡了。電影上說,我們沒有辦法把發動機修好,唯一的辦法就是把木星炸掉,產生足夠多的能量把地球推走,這個時候地球可以繼續流浪,這是點燃木星的動機。


    木星的氫氣和地球的氧氣混合


    人類能不能點燃木星?利用什么原理?木星的大氣里面89%是氫氣,地球大氣里面21%是氧氣,氧氣和氫氣混合會發生化學反應,叫“放熱反應”。這是電影里面特別具有創意的地方,把地球大氣里面的氧氣和木星大氣里面的氫氣混合起來產生能量放熱,當然放熱過程可以有很多,希望要產生的是爆炸。具備了氫氣和氧氣混合,這個時候地球距離木星很近了,木星的引力是地球引力的500倍,氧氣被吸過去有可能產生這個條件(上圖)


    燃燒和爆炸


    那么具備這個條件就一定能爆炸嗎?先看一個實驗(動圖1),這個實驗就是來點燃氫氣。氫氣罐里放出氫氣,拿一根火柴點燃沒有爆炸,燃燒起來了,看來爆炸不了。再給大家看一個實驗(動圖2),這是一個氫氣球,里面是氫氣,汽車頭上帶著火,沖過來把氫氣球撞開,這個時候氫氣出來爆炸了。這邊不爆炸,這邊爆炸,為什么?


    這就是化學反應的一個基本道理。這邊氫氣濃度太高了,從氫氣罐里面出來的氫氣濃度太高,發生燃燒。這邊氫氣球爆炸和空氣當中的氧氣混合,氫氣濃度比較低,發生爆炸。所以是有辦法爆炸的。而過程中木星從地球吸過去的氧氣不會太多,混合的比例是有可能達到4%-75%的,是可以爆炸的。電影里面這個科學原理也是沒有問題的,想的是非常的好。


    在座用過煤氣罐、煤氣灶的舉下手,有很多男士都用過,看來在家表現很好,做過飯。我們都有經驗,開始點煤氣灶的時候有個爆炸,煤氣剛出來的時候,比例還比較小,做完飯關煤氣灶的時候也是個爆炸,和這個道理一樣,但中間過程是燃燒。


    重核聚變發動機為何“燒石頭”


    另外一個很重要的科學原理,電影里面說,行星發動機是燒石頭獲得能量的,往行星發動機去的大卡車上裝的是石頭,燒石頭如果也行的話,那么今天在地球上就不會有石油的問題,不會有那么多的麻煩了。


    聚變裂變反應


    但電影里面確實是燒石頭,到底能不能燒石頭?給大家看這張圖(上圖),這是核物理的一張圖,縱軸叫比結合能,就是原子核穩定的程度,值越大原子越穩定。橫軸是原子核里面的質量數。這張圖頂峰處就是鐵,鐵是所有核反應——尤其是宇宙當中的核反應最后的產物,到鐵就不會再發生核反應了,最穩定。這就是為什么地上鐵這么多。


    如果按照這個圖,把重的原子核變的輕一些它就會釋放能量,或者把輕的原子核變得重一些,它也會釋放能量。到底行不行呢?當然可以。從原子核分裂為輕原子核就叫做裂變,這就是原子彈的原理。當然核電站反應堆里面用的也是這個原理。然而地球上的鈾,能用的是鈾235特別的少,把地球上所有的鈾235全部用掉,夠人類用70-80年而已,然后就沒有了。


    那聚變能不能做到呢?太陽內部發生的就是這個反應。太陽一開始的時候很穩定,就是聚變過程,氫彈也是聚變過程。現在人類最想做成的一件事,就是人工受控的核聚變,也叫做人造太陽。如果這個事情能夠做到,人類在今后很多年都能解決能源問題。今天中國在這方面還比較先進,合肥是做這方面研究特別先進的一個地方,然而還沒有完全掌握這個技術。即使掌握了,做出來發動機推動地球走,也推動不了多少,原因在于地球上氫原子特別少,用不了多久就會用完了。地球上石頭多,由鎂、鋁等一些元素組成特別多。能不能燒石頭?能。燒石頭這個重核聚變過程,原理上是可以的,宇宙當中天天在干這個。今天(大自然中)的鐵就是這么燒出來的,但是人類在實驗室里還沒有掌握這個技術,所以原理上是可以的,只是還沒有掌握技術而已。


    影片中的技術可行性




    科學上講了幾個原理都是對的,地球最終需要離開太陽系去流浪,是必須的,而且點燃木星提供能量原理上也是成立的,燒石頭重核聚變,也是可以的。那么技術上可不可以呢?科學是原理,技術是手段。技術上能不能做到呢?


    地球能夠“剎車”嗎?


    地球自轉停止會引起洪水


    電影上面要讓地球流浪,第一步先讓地球剎車,就是讓地球自轉停下來。首先看看如果讓地球自轉停下來會發生什么,電影里面已經展示了非常糟糕的一些事情,比如說海嘯,然后會發生地震。當然還會海平面上升,地球上大部分陸地就沒有了,所以超過一半的人類滅亡了,剩下的一半都只能到地下去生存,這是很不好的地方。但即便這么不好,技術上能不能做到呢,原則上用剛才所講的重核聚變燒石頭,把這些發動機放在赤道上面,沿著地球自轉反方向來噴,噴的時間足夠長,是可以做到的。噴多少呢?大概要噴幾百年,技術上面這件事情不是太好辦,后果也不是太好。


    地球能夠被推出太陽系嗎?


    假設讓地球自轉停下來了,這些行星發動機終于推著地球往前走了,能不能把地球推離太陽系呢?剛才講地球石頭特別多,可以燒石頭來產生足夠多的能量。然而要想把地球推走,能量守恒雖然很重要,但主要的物理原理是動量守恒,要往外扔東西,只靠能量是不行的,靠反沖才能往前走。我到火箭發射場看到我們團隊研制的衛星裝到火箭里面之后,就感受到了,把東西推走是多么的難。我們的衛星2.5噸重,擺在實驗室里面特別壯觀,我們在衛星前面自豪地留影,但一旦裝到火箭里面就看不到了,和巨大的火箭相比衛星算不了什么,所以要把2.5噸重的衛星送到地球的軌道上,還不是推離太陽系,就要用幾十噸重的火箭才能推走,扔很多很多東西才行。所以如果考慮動量守恒,雖然燒石頭能推地球走,但是等推著地球離開太陽系也不剩啥東西了,去了干什么呢?最后啥也沒有了,所以技術上也不是很好的辦法。但是好在這個過程需要2000多年才能跑到那個地方去,這個過程當中,科學家可能已經發現了新的能源機制,有新的辦法能夠帶著地球走。


    《流浪地球》電影畫面



    地球自轉不剎車其實會更好玩

    既然有這些技術的問題,那有沒有辦法改進呢?


    進動和行星發動機


    現在提供幾個思路,這是地球在自轉,如果要推著自轉的地球往前走,往哪個方向走呢,沿著地球的自轉方向走就行了。把行星發動機放在地球的另外一面,就走了。有些朋友說,只能往這個方向走,那么要拐彎往木星去,到了那個地方還要調整軌道要拐彎,就沒法拐彎了。其實也不難。怎么辦呢?就把這兩個發動機關了,每次發動機轉到這邊的時候就關掉,到這邊時就打開。從遠處看的時候會非常的漂亮,腦海里想象一下這個圖像。地球邊轉邊拐彎,轉到一個方向發動機就關掉,另外一個方向發動機就打開了,非常好看的一個圖像。


    而且還有一個重要的地方,如果地球不自轉,有這么多發動機在這,那么必須保證所有的發動機都均勻的平衡運行,只要有一個發動機壞了,往前跑的時候地球就跑歪了,這就是為什么火箭發射的過程會歪了的原因,推力不平衡了。如果地球是轉動的,即使有一個發動機壞掉了,往前跑的時候仍然沿著那個方向跑,會有一點點進動而已,(進動:也叫旋進,是指一個自轉的物體受外力作用導致其自轉軸繞某一中心旋轉的現象)但還是會沿著自轉的方向非常穩定的跑。所有在天上運行的飛行器里面都要有陀螺,都要有高速的轉動,保證飛行器穩定的運行,轉動的東西跑起來不但穩定,而且很好玩。扔飛碟的時候,是讓飛碟轉起來的時候扔跑起來穩,還是不轉扔跑起來穩?讓它轉起來扔穩。所以如果要拍這個電影續集的話,在這個過程當中,想辦法讓地球轉起來,這樣才能往前跑。


    空間站無法給地球提供導航

    衛星導航(想象圖)


    第二個問題,電影里面為什么有空間站,空間站是給流浪地球導航用的。我們今天知道,天上的衛星都是要靠地面導航,或者是北斗衛星導航的。那么地球也跑了,誰給空間站導航呢?顯然今天使用的北斗這個網絡是不能給流浪的地球前面的空間站導航的。



    地面深空控網也無法使用


    地面深空探測網


    今天給地球飛行器導航的另外一個辦法是用地球上的很多天線,包括上海的天馬天線,需要測量衛星的位置,告訴衛星在哪里。那么當地球也在流浪的時候,這個空間站的位置誰告訴它,所以這個辦法也不行。



    給導演支招



    到那個時候怎么導航呢,這個跟我自己的研究就有點關系了。


    用中子星進行導航


    這個地方給大家看的是高速轉動的中子星(下動圖)。中子星是什么呢?我剛才講了,太陽演化到最后會慢慢的變冷,經過氦閃、紅巨星,最后變冷,變成安靜的白矮星。但如果比太陽的質量再大10倍,這樣的恒星演化到最后它就會變成中子星,中子星的密度非常高。在十公里的半徑之內,可以放進去兩個太陽的質量。如果把地球變成中子星,地球會是多大?我一個指甲蓋這么大,密度非常非常高的天體。做陀螺的時候,絕對不會用棉花做陀螺,會盡可能找密度高的東西做陀螺,因為密度高轉的穩定。所以中子星轉動是非常穩定的,它如果發射信號產生輻射的話,就是非常穩定的時間到達的信號。


    高速轉動的中子星


    在這種情況之下,如果用宇宙當中的很多中子星來導航,就會出現一個很有趣的情況,這是用中子星來導航的一個原理,可以看到在飛行器上面放一個脈沖星的探測器,然后測量脈沖到達探測器的時間,這樣就了解了相對于我們的位置,這樣就知道相對于中子星飛行器所處的位置。那么這種情況下,地球流浪的時候,它前面的空間站上面就可以裝上脈沖星的探測器,一般來講用X射線探測器,因為X射線探測器體積比較小,精度非常高,這樣空間站就知道它的位置了,就可以帶著地球走了。原理上是這樣,技術上能不能做到呢?2016年9月15日發射了天宮二號空間實驗室,在上面帶有技物所的載荷,也有高能所的載荷,我是其中的一個載荷,POLAR伽瑪暴偏振探測儀,用這個儀器探測到了脈沖星,而且利用這個脈沖星的信號,為天宮二號做了導航驗證實驗。在一年之后又發射了“慧眼”衛星,我也是這個衛星的首席科學家,在這個衛星上裝了更多的X射線探測器,利用這些X射線探測器能夠更精確的探測脈沖星,然后也用它做了脈沖星導航的驗證。 


    因此,利用脈沖星給流浪地球導航,不僅僅科學原理上是可以的,技術上面已經得到了驗證。由于宇宙當中到處都有脈沖星,不僅僅是太陽系里面,深空旅行的時候可以用脈沖星導航,出了太陽系到整個銀河系,甚至出了銀河系到另外一個星系去都可以用脈沖星導航,所以用脈沖星導航,可以浪遍宇宙不迷路,這樣就可以解決導航的問題。


    點燃木星有更好的辦法


    再給導演支一招,這個電影里面我特別不喜歡的一點,就是把劉培強給弄死了,劉培強是電影的男一號。我特別喜歡英雄不死、大團圓、英雄救美,這個電影里都沒有,這方面我不喜歡。


    洲際導彈點燃木星


    他為什么這么做呢,一開始本來不想讓劉培強死掉,一開始想用行星發動機噴火,噴到木星上去,把木星點燃,后來使勁噴也沒噴過去,當然原理上就不應該噴過去,因為地球和木星之間空間的溫度非常低,那個火焰絕對出不了大氣層的,出去立刻就滅掉。發現噴不過去之后,后來又想能不能送個導彈過去,把木星給打著,后來其中一個小孩說,導彈的射程好像不夠。


    我們看看導彈的射程是什么(上圖),這是上海科技館,從這發一個洲際導彈出去,然后出了大氣層,出了大氣層之后,調整一下方向,顯然沖著地球對面那個方向去的,地球對面是美國。到美國,到華盛頓上空了,然后開始進入大氣層,美國一看沖著華盛頓過來了,它地面的愛國者號攔截導彈就起飛了,咱們及時做一個軌道的機動,躲過攔截的導彈,攔截沒有成功,然后就到了華盛頓上空,然后又出動了一次攔截導彈,又沒有攔住,然后就落下來了,白宮就炸掉了。從上海科技館發導彈,發到全球哪個地方都沒有問題,然而這個射程恰好是地球,從地球這邊打到另一面。所以電影上射不到木星,這是一個天大的誤解。在電影上,地球和木星離得很近了,地球上大氣都已經被木星給吸過去了,所以只要這個導彈出了地球的大氣層,你把發動機關了,它沖著木星就吸過去了,根本不用管它,根本沒有射程的問題。


    點燃木星


    其實你拿一個手槍瞄準木星開一槍,這個子彈就會打到木星上面去,到那個時候,因為地球大氣都已經被吸過去了,射程完全不是問題,真正想在地球上把木星給點燃發一個洲際導彈是沒有問題的,完全不用讓劉培強犧牲,完全沒有必要。然而還有更好的辦法,在地球上面用激光武器瞄準木星這個點,按鈕一按啪一下就點著了。有這么強的激光武器嗎?有。為什么呢?前面已經交代了,燒石頭產生重核聚變可以推動地球走,燒石頭的前提是要產生非常非常高的溫度。今天我們燒不著石頭,點不著石頭,用火柴跟打火機燒石頭試試,點不著,它要求的溫度非常高,怎樣才能點著,非常高強的激光對著照射才可以。今天在合肥或者在四川做人工受控核聚變最基本的要求就是要有強激光。但今天激光還不夠強,點不著石頭,但是電影里面已經能用重核聚變發動機了,所以一定能點著石頭,所以那個時候應該有這么強的激光。但是可能有朋友是杠精,堅持說那個時候是和平時期,有激光是有激光,但不一定有激光武器,而且洲際導彈可能已經都銷毀了已經開始和平了,大家一塊去流浪了,要這些武器干啥,可能都已經沒有了。


    小行星帶(想象圖)


    那么到底會不會有武器?這是地球,這是火星,這是木星,從地球要去木星,先要經過一個地方,叫小行星帶,地球上的恐龍哪去了?科技館有很多的恐龍化石、模型,活的恐龍沒有了,小行星撞擊導致恐龍沒了,一個小行星撞擊恐龍就沒了,再來一次小行星撞擊,人類也沒了。怎么避免小行星撞擊,現在看來比較好的辦法就是用洲際導彈或者是激光武器,當人類計算出某一個小行星很可能要幢地球的時候,發射一個洲際導彈,或者用強激光武器照射一下,改變它的軌道,讓它和地球擦肩而過就行了。要想從地球到木星,中間要經過這個小行星帶,所以必須要攜帶大量的洲際導彈和激光武器才有可能渡過這個難關。而且經過了木星這一關,電影上說,終于經過了木星,開始正式流浪了,事情就完了嗎?沒完,還有一個外行星帶,外行星帶里小行星更多,所以還要沖出外行星帶才可以,流浪的時候洲際導彈和強激光武器是剛需,帶著這些不是為了對付外星人,是為了對付這些小行星,這樣才能開始真正的流浪。


    劉培強:“我覺得我還能搶救一下”


    最后再給導演支一招,我前面講了,我不喜歡把劉培強給弄死,然而電影上有劉培強犧牲的實錘鏡頭嗎?誰也沒看到,也沒開追悼會,所以很可能劉培強沒有真的犧牲,在下一集的時候可以讓他神秘的回來。


    《流浪地球》電影場景


    特別偉大的科學家霍金先生在去世之前,留下了一個重要的科技遺產,就是“突破攝星”計劃,是指發射特別多很小的飛行器,帶著相機飛到流浪的目的地,那個三體系統去拍攝照片,了解那邊的情況,把那邊的情況偵查清楚。在我們終于躲過了木星這一劫,開始正式流浪之后不久這些照片已經傳回來了,我們已經搞清楚那個地方的情況了,很可能情況不是像以前想的那樣,在這個過程中,還會遇到很多艱難險阻,劉培強還有好多事情可以做,所以第一集就讓他這么犧牲掉實在不行,一定要把他救回來。如果大家注意的話,這個電影里面從價值觀的角度來講,有一點是不能令人滿意的。在這個里面女性的角色特別弱,竟然沒有一個女英雄出現,當然也沒有英雄救美的情節出現。所以劉培強要回來,要有一段英雄救美,最后要和這個女英雄一起,不僅是要拯救人類和地球,最后還要把三體系統一起給救了,這樣才是真正的過癮。謝謝大家!


    制版編輯 | 潺潺

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    中國科學院高能物理研究所研究員、粒子天體物理中心主任
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