刘慈欣影迷的福利,《流浪地球》天体物理知识科普,本文不剧透!

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首页角色扮演流浪武林更新时间:2024-06-19

小说背景介绍

中篇科幻小说《流浪地球》的背景,是说未来的某个时候,太阳将要爆炸,会把整个太阳系中的行星都毁灭掉。地球上的人类只好开启了逃离计划,一种是坐太空船逃,一种是在地球上安装巨大的无数发动机,连着地球一起逃出银河系,去另一个恒星系。

地球逃离计划得以实施,地球成了一个交通工具。具体做法,是先进入“刹车时代”,让地球停止自转。然后是“逃逸时代”,全功率开动安装在全球的发动机,逃离太阳系。然后进入“流浪时代I”,继续加速,飞向比邻星。然后是“流浪时代II”进行漫长的减速。最后是新太阳时代,即地球泊入比邻星轨道,成为这颗恒星的卫星。

太阳为什么会膨胀爆炸

当一颗恒星度过它漫长的青壮年期——主序星阶段,步入老年期时,它将首先变为一颗红巨星。红巨星是恒星燃烧到后期所经历的一个较短的不稳定阶段,根据恒星质量的不同,历时只有数百万年不等,这与恒星几十亿年甚至上百亿年的稳定期相比是非常短暂的。红巨星时期的恒星表面温度相对很低,但极为明亮,因为它们的体积非常巨大。在赫罗图上,红巨星是巨大的非主序星,光谱属于K或M型。之所以被称为红巨星是因为看起来的颜色是红的,体积又很巨大的缘故。金牛座的毕宿五和牧夫座的大角星是红巨星,猎户座的参宿四则是红超巨星。

恒星依靠其内部的热核聚变而熊熊燃烧着。核聚变的结果,是把每四个氢原子核结合成一个氦原子核,并释放出大量的原子能,形成辐射压。处于主星序阶段的恒星,核聚变主要在它的中心(核心)部分发生,辐射压与它自身收缩的引力相平衡,恒星内部氢的燃烧消耗极快,中心形成氦核并且不断增大。随着时间的延长,氦核周围的氢越来越少 ,中心核产生的能量已经不足以维持其辐射,于是平衡被打破,引力占了上风,有着氦核和氢外壳的恒星在引力作用下收缩坍塌,使其密度、压强和温度都急剧升高,氢的燃烧向氦核周围的一个壳层里推进。这以后恒星演化的过程是:内核收缩、外壳膨胀——燃烧壳层内部的氦核向内收缩并变热,而其恒星外壳则向外膨胀并不断变冷,表面温度大大降低。这个过程仅仅持续数十万年,这颗恒星在迅速膨胀中变为红巨星。氦聚变最后的结局,是在中心形成一颗白矮星。

太阳在引力坍缩期内会持续变大,体积会一直膨胀至现在太阳的992万倍,其太阳外表会直接到达地球轨道,吞没地球与月球。

引力弹弓效应

卡西尼探测器所利用木星引力弹弓做加速示意图

引力弹弓就是利用行星的重力场来给太空探测船加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。

利用引力弹弓使我们能探测冥王星以内的所有行星。在航天动力学和宇宙空间动力学中,所谓的引力助推(也被称为引力弹弓效应或绕行星变轨)是利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度,以此来节省燃料、时间和计划成本。

引力助推既可用于加速飞行器,也能用于降低飞行器速度。

那为什么流浪地球计划为什么一定要利用引力弹弓效应呢?不用可以吗?答案是不利用木星的引力加速,地球上的行星发动机是无法把地球加速至第三宇宙速度的,无法达到第三宇宙速度就无法飞出太阳系。

地球以初始速度V进入木星引力范围

地球已经进入木星引力轨道,获得木星速度U

地球成功获得木星速度U,总速度变成U V,然后在惯性下逃离木星引力驶向三体星

洛希极限

洛希极限是指当行星与卫星距离近到一定程度时,潮汐作用就会使天体本身解体分散。这个使卫星解体的距离的极限值是由法国天文学家洛希首先求得的,因此称为洛希极限。当天体和第二个天体的距离为洛希极限时,天体自身的重力和第二个天体造成的潮汐力相等。如果它们的距离少于洛希极限,天体就会倾向碎散,继而成为第二个天体的环。它以首个计算这个极限的人爱德华·洛希的名字命名。

计算表明,地球和木星的距离如果低于103万公里,那么大气就会在潮汐力的作用下脱离地球;如果距离低于7.44万公里,那整个地球都会被撕碎。

潮汐力有多可怕,我们拿一个茶壶和茶杯举例子:

我们在杯壁顶部倒一些水,让它在重力作用下向着杯底滑落。越靠近杯底,水滴会越拉越长,最后被拉扯到了撕裂的极限。这个极限就可以被认为是这个茶杯对水滴的“洛希极限”。

木星的引力场,实际上就是这样一个“茶杯”。地球尺寸很大,当它靠近木星时,离木星较近一侧受到的引力,将比较远一侧大得多,因此会像水滴一样被逐渐撕裂。

《流浪地球》电影中,地球已经到达了地木“流体洛希极限”(地木距离103万公里)。在此处,液体和气体不再能被地球引力束缚,而倾向于逃逸;而岩石还勉强能凭借自身的硬度坚持一会儿

再靠近木星一点,地球将进入地木“刚体洛希极限”(地木距离7.44万公里)。在此处,就连坚硬的岩石都会被引力差撕碎,地球将彻底解体

重元素聚变

聚变反映科普图

重核指的是氢氦以外,铁以下的.因为到铁就不能聚变释放能量了。氘氚聚变,门槛最低,氘的比例并不多,氚的来源是锂6,也很有限。氢的储量最多,水里就是,氦很轻,又不能化合,所以大气里没有,储量非常少,核聚变难度也极高。

这些是轻核聚变,能量释放可以达到0.7%的质量,反物质的质能释放200%,差了285倍,氢氦以外的,其实都没多少能量释放...

实际情况是:大刘做过计算,地球上的氢氦资源全部用掉,能量也还是不够,所以只好编造一个"重核聚变"的设定,利用更重的元素来满足故事需要.虽然能量不多,但毕竟量大啊...

你问实现的可能性?那看怎么"聚变"了,热核聚变?吃中子算不算?

3个氦4变成碳12,只能热核聚变,详情搜索红巨星。除此之外的,包括氢变氦,都是可以吃中子实现.氢,重氢,超重氢,衰变为氦3,再吃变氦4,到顶了。

碳12,碳13,碳14,氮14,氮15,氮16,氧16,氧17,氧18,氧19,氟19

重元素聚变的质能转换效率是相当低的。最乐观估计,地球要达到逃逸速度,也必须烧掉7亿亿吨的石头,相当于把全球的地面挖掉40米做为燃料;要达到光速的百分之一,则必须削去地壳的一半。

如果无法靠自己的力量推动地球,那就借助精巧的轨道计算,利用天文尺度的力量——万有引力。利用木星引力制造弹弓效应。

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