科幻大片《流浪地球》春节期间刷爆了朋友圈,世界级的科幻想象力让大家惊艳之余,也引发无数人对广袤宇宙的无穷好奇。记者邀请了南京航空航天大学胡亚鹏、李晋斌等专家,和我们分享对其中几个科学问题的趣味思考。

比邻星是否适合人类生存

在影片中,太阳系已经不适合人类生存,于是选择比邻星作为地球流浪归属地,那么这颗星球是否是人类理想的新家园呢?南京航空航天大学理学院教授胡亚鹏介绍说,比邻星是宇宙中离我们太阳最近的一颗恒星,距离太阳4.22光年。尽管比邻星是离地球最近的恒星,但很有可能并不适合人类居住。

比邻星,也称半人马座α星C,是半人马座α星系统(由三颗恒星组成)中的一颗。它与另外两颗很近的恒星(半人马座α星A、B)一起组成三体恒星系统。在天体系统中,三体系统通常是不稳定的。这也是刘慈欣另一著名科幻小说《三体》中三体人为什么离开自己所住的三体恒星系统来到地球的原因之一。

比邻星还很暗淡,据观测,比邻星的质量是太阳的1/7左右,亮度比太阳低,是一颗红矮星,表面温度为2500至5000K。因为质量、亮度比太阳低,导致比邻星的宜居行星带也相应地更加靠近比邻星。比邻星的爆发频率和释放出来的能量要比太阳大得多,因此,比邻星的行星上所接收到的恒星风、紫外线辐射等,会比目前地球上的更频繁、能量高很多,对地球生命无异于灾难。

由于比邻星的宜居行星带靠近比邻星,因此,在宜居行星带的地球很有可能被比邻星潮汐锁定,即地球没有自转,一面始终朝向比邻星,而另一面一直背对,这会导致地球一面温度很高,而另一面温度很低,不适宜人类居住。此外,如果被潮汐锁定后,地球也很有可能失去地磁场的保护,很容易受到恒星风、宇宙粒子、射线等的辐射影响。

不过太阳变为红巨星,只是《流浪地球》中一个假设。现实中的太阳按照恒星正常的寿命,50亿年之后才会变为红巨星。那时候人类大概已经移民到其他恒星系星球。

引力弹弓场景能实现吗

在电影中,地球和木星通过气体连在一起的画面非常震撼,那么背后是什么原理呢?

南京航空航天大学理学院副教授李晋斌介绍,地球这个庞然大物,半径6371公里,重达59万亿亿吨。但人类造出了同样庞大的行星发动机,足以在5年左右将地球推进到逃逸太阳引力的最低速度,即16.7公里/秒(复兴号列车速度的200倍)。然而比邻星距离地球4.3光年,如果按照逃逸速度航行,需要7.7万年才能抵达,于是人类想到了借助木星的“引力弹弓”,令地球零消耗改变方向、提升速度,最后到达比邻星。

“引力弹弓”是一种飞行器加速常用的方法,我们向地球以外的天体发射飞行器时,常会应用到其他行星或天体做引力弹弓,以此来节省燃料、时间和计划成本。比较经典的可能是美国的“卡西尼”号了,它于1997年从地球发射前往土星,但只带了很少的燃料,后先后在1998年和1999年利用了金星的两次弹射,又于1999年8月利用了地球的弹射,2000年利用了木星的弹射,最终于2004年7月1日抵达土星。

何谓“引力弹弓”效应?比如一只乒乓球,当它飞向一面静止的球拍时,反弹速度是相同的(忽略重力、空气阻力、摩擦等因素)。但如果这个球拍向着来球方向移动,那这个球与拍相撞后反弹速度就会变快。

其实“引力弹弓”也是科幻电影经典桥段之一。例如《星际穿越》中,库珀为使“巡逻者”号飞船到达米勒星球,采用的方案是利用一颗中子星进行引力弹弓减速;还有《火星救援》中的NASA黑人小哥就是把“赫尔墨斯”号飞船想象成一个乒乓球,绕太阳公转的地球当成球拍,飞船从地球公转中窃取了少量动能,从而获得了更快的速度。

值得注意的一个观点是,《流浪地球》忽视了一个重要先决条件,木星和地球的质量比值不够大,大约320(不像乒乓球和球拍质量差那么悬殊)。地球不可能利用木星的巨大引力实现引力弹弓的加速效果,地球一旦被木星引力捕获,结果必然是两者相互牵扯、相互围绕旋转,旋转半径会越来越小,最后,地球和木星发生猛烈碰撞,形成一个新的星球。

没必要让地球停止自转

在流浪地球计划中,第一步就是让地球停止转动,那么这是否可以实现呢?胡亚鹏介绍说,正如中国科学院高能物理研究所研究员张双南的观点,电影中利用行星发动机产生反推力使地球停止自转有可能不可行,因为需要的总能量实在是太大。另外,地壳能否承载这么大的反推力及反推力带来的系列影响,还是个疑问。

没有了转动,地球将会有固定的一面朝向太阳,长期下去会导致地球一面温度很高,而远离太阳的一面温度很低,不太适合生命的存在。值得指出的是,即使对于赤道附近的唯一大陆,也是充满危险。在转动的时候,因为离心力的作用,地球的赤道地壳会显得更为突出一点,而在没有转动的时候,赤道附近就会缺少离心力,很可能会导致板块坍缩,从而引发一系列的全球地震或者海啸,不仅在地面上修建的那些行星发动机很难存在,居住在地下或许都非常困难。

地球自转停止,地球磁场有可能会突然消失。通常情况下,地球磁场的存在,不仅仅能为我们指明南北方向,更重要的是起到了保护作用,能够将来自于太阳的带电粒子屏蔽于地球大气之外,太阳粒子很难直接穿过磁场,直接进入低层大气,从而保护了地球大气层不会丢失。没有了磁场,太阳风能够不受任何阻碍,长驱直入进入地球大气,从而在全球各个地方形成我们所说的极光,不过更为重要的是,地球大气有可能逐渐损失掉。

其实不让地球停止转动,直接推动地球也是可取的。比如让地球的北极方向指向运动方向,把推进发动机都放到南半球就行了,而且自转的地球在星际旅行的过程中更加稳定、更好控制方向,因为飞行的子弹都是高速旋转的,自转的飞行器姿态更加稳定也更好控制……

中国科学院国家天文台研究员苟利军表示,尽管从科学的角度来看,在可以预见的时期内,人类的能力无法实现,不过电影作为一门艺术,它不完全是生活或者科学的完全再现,所以尽管这部电影当中包含了许多不科学的想象,但是依旧需要我们为之鼓掌。

本报记者 杨频萍

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