流浪地球 3或将拍摄氦闪危机,揭秘太阳中氢聚变不闪的原因

   日期:2024-07-02     来源:网络整理    作者:二手钢材网    浏览:163    评论:0    
核心提示:《流浪地球3》拍什么?因此,《流浪地球》里把它描述成毁灭性的闪光,是有道理的。以上是对“《流浪地球3》拍什么”这个问题狭义的回答,还可以有广义的回答:拍中国与全球的科技进步。国家队团建式喊话流浪地球假如是几十年前拍中国科技拯救世界的片子,观众在心理上就不太可能接受了。

这个问题的答案有狭义的,也有广义的。

狭义的答案是,《流浪地球3》很有可能拍摄原著小说的核心情节——氦闪危机。氦闪也是原著小说中的核心科学概念。这是一场毁灭性的灾难,人类为了躲避氦闪不得不逃离太阳系。

顾名思义,“氦”表示是氦聚变,“闪”表示是瞬间发生的现象。如果你是一个勤于思考的人,知道太阳主要由组成,正在将氢聚变成氦,那么你就会问:为什么氢聚变不闪,而氦聚变却闪()?

非常好的问题!如果你能从这个角度思考,你的思维水平比90%的人都要高。接下来我们来解释一下氢聚变为什么不闪变。

答案很有意思:太阳内部存在着自发的负反馈机制,就像人体维持体温、血压、酸碱度等指标稳定的负反馈机制一样。核聚变需要非常高的温度和压力才能发生,而太阳核心刚好满足氢聚变的条件,可以将氢聚变成氦。太阳物质的引力使它们向内坍缩,而氢聚变的能量使它们向外膨胀,两者刚好达到平衡。最神奇的是,这种平衡是自我维持的。

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太阳核心的压力平衡

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为什么呢?因为如果核聚变太快,释放的能量太多,核心就会膨胀,从而导致核心温度下降,所以核聚变就会减慢速度,恢复平衡。反之,如果核聚变太慢,释放的能量太少,核心就会收缩,从而导致核心温度上升,所以核聚变就会加快速度,恢复平衡。

这种负反馈机制使得太阳在数十亿年的时间里以相对稳定的速率燃烧氢。这对我们来说是个好消息。如果不是这样,太阳辐射波动,地球上的生命早就灭绝了!因此,我们习惯了“万物依附太阳生长”这一事实其实是一大幸事。举个例子就能说明这种幸事有多大:目前预测太阳的亮度在十亿年内将增加 10%,这足以蒸发海洋并消灭地球上的生命。

接下来我们来解释一下氦聚变为什么会产生闪光。你可能已经猜到了答案:氦聚变没有这样的负反馈机制。但为什么呢?

这里的基本原因是氦聚变难以点燃。两个原子核要聚变,首先必须克服双方带正电的质子之间的排斥力。氦有两个质子,而氢只有一个质子,因此让两个氦核聚变更加困难,需要更高的温度。当太阳核心中的氢被消耗殆尽后,里面充满了氦,但却无法聚变。这些氦就像煤炉里烧煤剩下的灰烬,被称为“氦灰”。

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氢聚变成氦

太阳核心内的氦灰会在引力的作用下不断向内坍缩,然后有趣的事情就来了:氦进入量子力学的“简并态”!

一切微观粒子,分为费米子和玻色子两大类。比如电子、质子、中子属于费米子,光子属于玻色子。费米子必须满足泡利不相容原理,即两个粒子不能属于同一状态,而玻色子则不需要满足泡利不相容原理。大家高中时学过的原子中的电子排布,就是由泡利不相容原理决定的。所有可选的能级都是从低到高排列的,因为没有两个电子可以挤在一起。当氦被挤得很紧的时候,它们的电子就处于一种能占据的低能级全部被占满,下一个只能向上排列的状态。这种状态叫做简并态,产生的压强叫做简并压强。简并就是多个粒子处于同一状态,简并压强就是“粒子不想简并”产生的压强。

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泡利不相容原理

简并压强有一个致命特点:它和温度无关,只和粒子密度有关。这个特点之所以致命,是因为它破坏了前面提到的负反馈机制。当氦在引力作用下向内坍缩时,温度上升,但压强却保持不变,这就使氦出现了一种奇怪的景象。一开始温度比较低,氦根本就没有发生聚变。直到温度达到1亿度,氦才最终被点燃。但由于简并压强和温度无关,它无法通过自发体积膨胀来减缓聚变。反而是聚变释放的能量让温度升得更高,让更多的氦发生聚变。换句话说,只有正反馈,没有负反馈。这样的系统会发生什么?不受控制的爆炸。

这就是氦闪!在短短几秒钟的时间里,太阳核心的氦会剧烈燃烧,产生比平时高出千亿倍的能量。此时一颗太阳的能量输出相当于整个银河系的能量。因此,《流浪地球》将其描述为毁灭性的闪光是有道理的。

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然而,如果仔细观察,这种描述其实是不正确的。由于氦闪的能量爆发只在太阳内部,大部分能量都被太阳本身吸收,以至于从外部几乎看不到太阳的亮度。因此,我们至今还没有观测到有氦闪的恒星,因为缺乏观测手段,而这是一个活跃的研究前沿。

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2020 年论文“来自氦核闪光的星震信号”

《流浪地球》原著小说中对氦闪的另一个描述是正确的:“太阳将变成一颗巨大但暗淡的红巨星,膨胀得如此之大,以至于地球将在太阳内部运行!”所以氦闪本身不是灾难,伴随氦闪而来的太阳膨胀才是灾难。

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太阳变成红巨星

太阳为什么会膨胀呢?因为当太阳核心的氢耗尽之后,随着核心温度的不断升高,核心边缘原本无法聚变的一层氢开始聚变。它产生的能量会把太阳外层往外推,导致太阳急速膨胀。不过书上还是有一点小错误,说太阳变成红巨星是在氦闪之后,其实应该是之前。

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氢聚变发生在核心边缘,导致太阳膨胀

如果你了解氦闪和太阳膨胀的原理,你的知识水平就超过99%的人了。不过,我们也需要指出,这并不是迫在眉睫的危机。太阳目前有充足的氢燃料,50亿年后就会变成红巨星,而不是几百年甚至几十年。因此,原著和电影中“太阳快速衰老”的背景纯属虚构。但它能让我们居安思危,胸怀宇宙,具有很大的价值。

前两部电影并没有正式展现氦闪,第二部电影更是少有关注太阳,剧情集中在地月系统内部的斗争,最后月球被炸毁,月球要抗议:为什么地球和太阳打架,受伤的却是我?!()

希望第三部中,氦闪这个宇宙奇观能回归中心。原著小说中氦闪并没有杀死人类,但因为不相信氦闪而反对流浪地球计划的叛军却险些害死人类。这里就不剧透了,不过不看原著小说直接去看电影也是一种新奇的体验。

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以上是对“《流浪地球3》讲什么”这个问题的狭义回答,还有一个广义的回答:拍中国和世界的科技进步。最近,中核集团、中国航天科技集团、中国建筑、中国石油天然气集团、中国石油化工集团、中国粮油食品集团等纷纷呼吁《流浪地球2》宣传自己的科技贡献()。

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国家队以团队建设的方式向《流浪地球》发出号召

这让我们想起,《流浪地球2》之所以能引起如此大的讨论,是因为中国确实有这些领域的技术基础。比如量子计算机、受控核聚变、空间站,中国都有,而且很先进。如果几十年前拍一部中国科技拯救世界的电影,观众心理上肯定接受不了。

目前中国科技唯一明显的短板大概就是芯片了。如果拍一部关于中国全球最强芯片的电影,可能会被很多人嘲笑,更可能是话题过不去。如果印度、俄罗斯或者中美之外的任何一个国家拍这样的电影,可能都过不了观众的第一次考验——哪怕是韩国……另一方面,如果其他国家的科学家为自己的研究成果出现在中国科幻作品中而感到自豪,那就意味着我们真正成为了科技和文化的领军者。

软实力很重要,但是软实力是建立在硬实力的基础上的,软实力会助力硬实力的发展,所以我们期待《流浪地球3》,期待中国科幻产业的蓬勃发展,期待中国早日成为世界科技文化的领军者!

什么是氦闪?【影视里的科学-流浪地球2】##流浪地球-抖音

 
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