地球为什么要流浪:想点燃木星其实有更好办法

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新浪科技《科学大家》,墨子沙龙

写作|中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心主任,张双南,中国科学院大学教授,“慧眼”天文卫星首席科学家

看完《流浪地球》后,我认为这部电影具有非常有才华的世界级科学幻想想象力,尤其令人上瘾。在美国的大片中,美国人每天拯救世界,而美国的大片一次拯救世界。这次,终于轮到中国了,不仅要拯救人类,还要拯救地球。

吴静是电影的主要演员。一些朋友说,吴静每次上台似乎都是这样。它有点被掩盖。我说过,这正是我们中国士兵和宇航员应该拥有的,而且每个外表都应该像这样。我自己也是半个宇航员。我的工作是制造天文望远镜,将其放在卫星上,然后在卫星和我们的空间站上探索宇宙。

电影中的科学幻想非常令人震惊。使地球充满希望并点燃木星真是太神奇了。他们背后的科学和技术是什么?让我们在这里与您讨论。

地球为何飘动

_太阳系中宜居区域的示意图

第一个科学原因是地球为何飘荡。首先看一下地球与太阳之间的关系。太阳周围有一个绿色区域,称为宜居区域。当它离太阳太近时,从太阳接收的光和热就恰到好处。它可以在地球上生存。当然,今天地球处于宜居地区。因此,我们将这个蓝色的地球称为活土。

太阳与地球之间的距离在天文学中被称为天文单位。如果回顾一下,46亿年前,当地球诞生时,它就处于一个宜居的地区。自诞生以来,太阳系中只有一颗行星处于宜居区域。人类非常幸运。

▲50亿年后,地球将被太阳吞噬

随着太阳的演变,虽然地球今天仍然处于宜居区域,但它已经很少了。在短短的一段时间后:17.5亿年后,宜居区域向外移动,因为太阳内部的核反应变得越来越强烈。太强烈,太阳变大,颜色变得越来越大。宜居区域自然会更进一步。此时,地球已经离开了一个宜居的区域,称为死地。此时,地球上的温度太高,不适合生命继续存在。

如果像《流浪地球》电影中提到的那样,人类有足够的精力去寻找推动地球走出宜居区域的方法,那么无论移民到其他星球,他们还能继续折腾地球吗?往上走?

让我们看看太阳是否允许这样做。今天的太阳实际上并不大,只有直径的天文单位的1%。刚才,天文单位是太阳与地球之间的距离。虽然太阳控制其在整个太阳系中的行为,但无论其光线和重力如何,它都非常小。然而,过了一段时间:经过50亿年后,太阳变得非常大,变成了一个红巨星。太阳内的核反应速度增加,产生的辐射太多。此时,太阳的半径恰好是一个天文单位,地球将被太阳吞噬。

如果你不离开地球,就没有办法生活,或者如果你继续想要在地球上生存,你可以离太阳更远。太阳能让我们这样做吗?事实上,它也不起作用。在将太阳变成红巨星的过程中,里面有一个猛烈的过程。被称为闪存,它也出现在《流浪地球》电影中。

太阳今天是主序中的一颗星。该阶段主要通过燃烧氢原子产生氦。随着燃烧区域逐渐向外,中间变成氦核。当核的体积增加时,内心的温度和密度将增加。这时,原子核会突然点燃。这个过程比燃烧氢核更加强烈:4分钟内产生的能量相当于今天200万年太阳产生的能量。很大。

▲氦闪(虚构地图)

此时,太阳系不可能留在太阳系中,即使它远远超过太阳的天文单位。但闪光灯将持续4分钟。结束后,有可能安静地回来吗?那时,在闪光过程之后,太阳会冷却并变成白矮星。白矮星不会真的被扔掉,而且它很稳定。

这次回来还可以吗?还没有。虽然隐藏在外面一段时间可以逃脱闪光,但白矮星本身不会产生能量,所以一段时间后就不会起作用了。这告诉人类,无论如何,人类将来会离开地球到其他地方,或者与地球一起徘徊。因此,电影的第一个科学原理,地球必须徘徊是建立的,但它的时间尺度不是经过几十年的拍摄,它将在数百年后发生,但经过数十亿年它将会发生,当然,科幻小说的时间可以改变,基本原则是正确的。

白矮星(想象图)

为什么要点燃木星?

其次,电影中最重要的事情之一就是点燃木星。地球开始徘徊之后,第一步想到了木星,为什么要去木星?因为木星位于太阳系的外围,它在太阳周围移动得更快。如果它靠近木星,它将被木星捕获。木星的质量是地球质量的500倍。地球将随着木星的运动而移动。在移动到人类想要的方向,然后逃离木星之后,地球此时的速度很快,即所谓的“引力弹弓效应”。

所以电影正朝着木星的方向发展。但是在行走的过程中,发生了一些事情:木星发生了引力异常,导致大部分驱动地球的行星引擎向前发展。有10,000个行星引擎,超过7,000个被打破。一。此时,由于木星的强烈引力,地球被木星吸入了木星。所以我遇到了第一次危机。如果我不想阻止地球掉到木星上,很可能还没有开始徘徊,并且球已被摧毁。

▲木星的氢和地球的氧气混合物

影片说我们无法修理发动机。唯一的办法就是炸掉木星并产生足够的能量来推开地球。这时,地球可以继续徘徊。这就是为什么点燃木星的动机是为木星产生足够的能量来做到这一点。

人类会点燃木星吗?原理是什么?木星大气中89%是氢,地球大气中21%是氧。氧气和氢气混合时会发生化学反应,称为放热反应。这是电影中特别有创意的地方。它将地球大气层中的氧气与木星大气层中的氢气混合在一起以产生热量。当然,有许多放热过程,希望会发生爆炸。它具有氢和氧的混合物。此时,地球离木星非常近。木星的引力是地球引力的500倍。吸入气体时可能会产生这种情况。

▲燃烧爆炸

那么在这种情况下,它会爆炸吗?让我们看一个实验。上面的实验是点燃氢气。这是一个氢气罐,它是由氢气产生的,需要点燃一根火柴,才不会爆炸并燃烧。看来它不会爆炸。以下实验:这是一个内部装有氢气的氢气球。这辆车着火了,它急忙把氢气气球撞开了。此时,氢气爆炸。

上面不爆炸,下面爆炸,为什么?这是化学反应的基本原理。上述氢浓度太高,并且从氢罐出来的氢浓度太高并且正在燃烧。下方的氢气球爆炸与空气中的氧气混合,较低的氢气浓度将爆炸。

那时,木星不会从地球上吸收太多的氧气,混合的比例很可能达到4%-75%,这会爆炸。电影中的这一科学原理没有问题。我觉得这很好。

重型核聚变引擎为什么会“烧石头”

另一个非常重要的科学原理是,前往行星发动机的大型卡车装载着石头。电影说这些行星引擎正在燃烧石头。如果您燃烧石头,那么今天地球上将不会有石油。不会有太多麻烦。

▲融合裂变反应

但这部电影实际上是烧石头。你最后可以烧石头吗?上图是核物理图。垂直轴称为结合能,它是核的稳定程度。值越大,原子越稳定。横轴是原子核中的质量,中子数或质子数。在这张图的顶部是铁。铁是所有核反应,尤其是宇宙中对最终产物的核反应。直到铁才会发生铁反应。最稳定的。这就是为什么地面上有这么多铁杆的原因。如果你可以使用铁,使用铁。如果你根据这个数字改变原子核的重量,它会释放能量,或使光核更重,它也会释放能量。原因是事实并非如此?当然可以。从核到轻核的分裂称为裂变,这是原子弹的原理。当然,这个原理也用于核电站反应堆。但是,地球上的铀尤其可以使用铀235。也就是说,地球上的所有铀235都用完了,足以让人类使用70-80岁,然后就没有了。

那种融合无法完成,太阳内部发生的是这种反应。太阳开始时的稳定过程就是这个过程,而氢弹也就是这个过程。人类现在最想做的事情之一是人工控制的核聚变,也称为人造太阳。如果可以做到这一点,人类可以解决未来许多年的能源问题。地球上有许多石头,它们由一些元素组成,如镁和铝。你可以烧石头吗?能够。燃烧的石头,这种沉重的核聚变过程,原则上是可能的。宇宙每天都在这样做,但人类还没有在实验室掌握这项技术,所以原理还可以,但它还没有掌握这项技术。

电影的技术可行性

从科学上讲,几个原则是正确的。地球最终需要离开太阳系来徘徊。此外,还建立了点燃木星以提供能量的原理。也可以燃烧石头并重新成核。从技术上说它可以吗?科学是原则,技术是手段。它可以在技术上完成吗?

地球能“制动”吗?

▲地球自转将停止洪水

为了让地球徘徊,第一步是让地球刹车,让地球停止。首先,让我们看看如果你让地球停止会发生什么。这部电影表现出非常糟糕的事情,比如海啸,然后是地震,当然海平面上升。地球上的大部分土地已经消失,因此超过一半的人类死亡,剩下的一半只能在地面上生存。这是一个非常糟糕的地方。

但即使它不是那么好,它可以在技术上完成吗?原则上,使用刚才提到的重核聚变燃烧石,将这些发动机放在赤道上,并沿地球自转的相反方向喷射它们。喷涂时间足够长。可以办到。喷多久需要多长时间?这是几百年的喷涂。技术上面的东西不太容易处理,后果不太好。

地球可以发射到太阳系吗?

假设地球停了下来,然后这些行星引擎最终将地球推向前方,你能将地球推离太阳系吗?我只是说有那么多地球石头,我烧了石头。然而,为了推动地球,节约能源非常重要。为了产生足够的能量,我们还必须考虑动量守恒。扔东西是不可能的。依靠能源是不可能的。有必要抛弃事物并依靠后坐力向前推进。

我们的卫星重2.5吨,在实验室中尤其引人注目。我们很自豪能在卫星前拍照。一旦将其放入火箭,就看不到它。与巨大的火箭相比,卫星不可能是什么。因此,您必须将2.5吨卫星发送到地球轨道。这不是要远离太阳系。它会消耗数十吨的重量。火箭可以被推开并扔很多东西。因此,如果我们考虑动量守恒,尽管燃烧的石头可以将地球推开,但当我们将地球推离太阳系时,就没有剩下的东西了。我们做了什么?最后,没有这样的东西,因此就技术而言,这不是一个好的方法。但幸运的是,此过程要花费2000多年才能到达那个地方。在此过程中,科学家们可能已经发现了新的能源机制和夺取地球的新方法。

▲《流浪地球》电影屏幕

实际上,在不刹车的情况下旋转地球会更有趣。

由于这些技术存在问题,有什么办法可以改善它们?

▲进动与行星发动机

现在有一些想法。这就是地球的自转。如果要推动地球向前移动,要朝哪个方向前进,请沿着地球自转的方向行走。将行星发动机放在地球的另一侧并离开。一些朋友说,他们只能朝这个方向前进,然后他们不得不转向木星,当他们去那个地方时,他们必须调整轨道以使其转向,而他们不能转向。

其实,这并不难。例如,如果你想朝那个方向走,然后转一个方向,你应该怎么做?两个引擎都关闭了,每次引擎转到这边,它就关闭了,当它在这儿的时候,它就打开了。当你从远处看的时候,你会很漂亮。想象一下我脑海中的这个画面:地球转了又转,引擎朝一个方向关闭,引擎朝另一个方向打开,这是一个非常好的画面。还有一个重要的地方。如果地球不旋转,这里有这么多发动机,那么所有的发动机必须平衡。只要有一台发动机坏了,地球就会在前进时跑掉。这就是火箭发射过程令人尴尬的原因:推力不平衡。如果地球在转动,即使其中一个引擎坏了,在前进的同时向那个方向运转,也会有一点进动。(进动:亦称进动,是指旋转物体受到外力使旋转轴绕某一中心旋转)但仍沿旋转方向稳定运行。

所有在空中飞行的飞机都必须有一个陀螺仪,陀螺仪必须有高速旋转,以确保飞机的稳定运行。旋转的东西不仅稳定而且很有趣。扔飞碟的时候,飞碟一出现就扔,稳稳地跑,还是不扔,稳稳地跑?当然,让它转过来,把它扔稳。所以如果你想拍这部电影的续集,在这个过程中,想办法让地球转动,这样你就可以向前跑。

空间站实际上无法向地球提供导航

?卫星导航(虚拟地图)

第二个问题是给导演一个小把戏,为什么电影里有一个空间站,而空间站是用来导航漫游的地球的。我们今天知道,天上的卫星都是基于地面导航或北斗卫星导航。然后地球在运行,谁来操纵空间站?显然,今天使用的北斗网络不能用来导航徘徊在地球前面的空间站。

地面深空测控网不能使用

?地面深空探测网

今天导航地球飞行器的另一种方法是使用地球上的许多天线,包括上海的天马天线,来测量卫星的位置并告诉卫星它在哪里。然后当地球在游荡时,谁会告诉这个空间站的位置,所以这种方法行不通。

那时候怎么导航?

用中子星导航

当太阳进化时,它会慢慢地冷却下来。闪光之后,红巨星终于冷了下来,它变成了一个安静的白矮星。但如果它的质量是太阳的10倍,这样的恒星最终会变成中子星,中子星的密度非常高。在方圆十公里内,你可以画出两个太阳的质量。如果地球变成中子星,地球会有多大?我有一个非常大,非常密集的天体,密度非常高。做陀螺时,千万不要用棉花做陀螺。你将试图找到一个高密度的陀螺,因为密度高,旋转稳定。因此,中子星的自转是非常稳定的。如果它重新传输信号产生辐射,这是一个非常稳定的时间到达。

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?高速旋转中子星

在这种情况下,如果你用宇宙中的许多中子星来导航,就会出现一个非常有趣的情况。这是中子星导航的原理。你可以看到一个脉冲星探测器放在飞机上。然后测量脉冲到达探测器的时间,这样我们就能知道相对于中子星位置的位置。

在这种情况下,当地球在游荡时,它前面的空间站可以配备一个脉冲星探测器。一般来说,使用x射线探测器是因为x射线探测器体积较小,精度很高。只要知道它在哪里,你就可以把地球带走。

原则上,这是技术上可以做到的?2016年9月15日,中国以中国科学院技术研究所和中国科学院高能所为载体,发射了天宫二号空间实验室。其中一个负载:极性伽马偏振探测器,使用了这个仪器。探测到一颗脉冲星,利用脉冲星信号对天宫二号进行了导航验证实验。一年后,中国发射了“护目镜”卫星。我也是这颗卫星的首席科学家。这颗卫星上安装了更多的X射线探测器。这些x射线探测器可以更准确地探测脉冲星。用它来验证脉冲星导航。

因此,利用脉冲星导航漫游地球不仅在科学上是可能的,而且该技术已经得到验证。因为宇宙中到处都有脉冲星,不只是在太阳系,你可以在深空旅行时使用脉冲星导航,从太阳系到整个银行系统,甚至从银河系到另一个星系。你可以使用脉冲星导航。因此,利用脉冲星导航,你可以在不迷路的情况下“挥动”宇宙,从而解决导航问题。

有更好的方法点燃木星

在这部电影中,我特别不喜欢的一件事是刘佩强被杀了。刘佩强是电影中的男一号。我特别喜欢英雄不死,重逢,英雄救美,没有这样的电影,我不喜欢。

?洲际导弹点燃木星

他为什么要这样做?起初,他不希望刘培强死。起初,他想用行星发动机喷火,将其喷到木星上,点燃木星,然后喷出而不喷出。当然,原则上不应该喷涂。由于地球与木星之间的空间温度非常低,火焰将永远无法脱离大气层,并且将被立即摧毁。

在发现喷雾不能通过之后,我后来考虑是否可以过去发射导弹并击中木星。后来,一个孩子说导弹的射程似乎不足。在电影中,地球和木星非常接近,木星吸引了地球上的大气层,因此只要导弹不在地球大气层之外,您就关闭引擎,然后在木星上吸引它。完全不用担心,范围完全没有问题。

实际上,如果您拿着手枪瞄准木星,子弹就会击中木星。那时,由于地球的大气已被吸收,因此射程根本不是问题。我真的很想点燃地球上的木星。发射洲际导弹没有问题。完全没有必要让刘培强牺牲。但是,有一种更好的方法是用激光武器对准木星,然后单击并单击按钮。

有这么强大的激光武器吗?有。为什么?如上所述,燃烧石头产生严重的核聚变可将地球推开。燃烧石头的前提是产生非常高的温度。今天,我们不能燃烧石头,不能指向石头,尝试用火柴和打火机燃烧石头。我们不能指出他们。它要求的温度很高。我们如何指出呢?只能照射非常高强度的激光。

人工控制核聚变的基本要求是使用强激光。但是今天激光的强度不足以照亮一块石头,但是这部电影已经可以使用重型核聚变发动机了,所以它必须能够照亮一块石头,所以当时应该有这么强的激光。但也许有些朋友坚持认为当时这是一个和平的时期,有激光和激光,但不一定是激光武器。此外,洲际导弹可能已经被摧毁,和平已经开始。每个人都在一起徘徊,他们想用这些武器做什么可能已经消失了。

那么武器会有吗?要从地球上去木星,你必须经过一个叫做小行星带的地方。地球上的恐龙在哪里?科学技术博物馆里有许多恐龙化石和模型。没有活着的恐龙。小行星的影响导致恐龙消失。小行星对恐龙的影响消失了。另一颗小行星撞击将导致人类的消失。如何避免小行星撞击,现在似乎更好的方法是使用洲际导弹或激光武器。当人类计算出一颗小行星可能会建造地球时,发射一枚洲际导弹,或使用强大的激光武器照亮它,改变它的轨道,让它通过地球。要通过这颗小行星带从地球到木星,有必要携带大量的洲际导弹和激光武器,以克服这一困难。在木星之后,电影说,最后木星开始正式徘徊,它结束了吗?还有一个外星带。地外带中有更多的小行星,所以我们不得不冲出外星带。当我们徘徊时,只需要洲际导弹和强大的激光武器。这些不是用于处理外星人,而是用于处理这些小行星,因此我们可以开始真正徘徊。

刘培强:“我想我可以救它。”

正如我之前所说,我不喜欢杀死刘培强,但电影中是否有真正的刘培强献祭之锤?没有人看到,也没有举行追悼会,所以刘培强可能没有真正牺牲,所以他可以在下一集里神秘地回来。

在这位伟大的科学家去世之前,霍金先生留下了一项重要的科学技术遗产,即“突破之星”项目,该项目发射了大量非常小的飞机,并带着照相机飞到了无所事事的目的地:三人系统拍照,了解那里的情况,并清楚地调查那里的情况。这些照片在我们最终逃脱了木星并开始我们的官方游荡之后不久被寄回。我们已经阐明了那个地方的情况。情况可能与以前的想法不同。在这个过程中,我们将遇到许多困难和障碍。刘培强还有很多事情要做,所以在第一集中牺牲他是不好的。我们必须救他。如果您注意它,那么从价值的角度来看,电影中有一件事是不能令人满意的。在这种情况下,女性的作用特别弱,没有女主角,当然也没有英雄可以挽救情节的美。因此,如果刘培强想回来,他必须有一位英雄来拯救美国。最后,他必须与这个女主人公在一起,不仅要拯救人类和地球,还要拯救三个体系,这才是真正的瘾。