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《流浪地球2》评论(六):《流浪地球3》拍什么? | 袁岚峰

袁岚峰 风云之声 2023-05-21

■ 导读

狭义的回答是氦闪,广义的回答是……
■ 本文为【《流浪地球2》评论】系列
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《流浪地球3》拍什么?

对此可以有狭义的回答和广义的回答。

狭义的回答是,《流浪地球3》很可能会拍氦闪(helium flash)危机,这是原著中的核心情节。氦闪也是原著中最核心的科学概念,它是一种毁灭性的灾难,人类正是为了躲避氦闪才要逃离太阳系。

顾名思义,“氦”说明它是氦元素聚变,“闪”说明它是一种瞬时性的现象。如果你是一个勤于思考的人,而且你知道太阳现在的主要成分是氢,它正在把氢聚变成氦,那么你就会问:为什么氢聚变不会闪,而氦聚变就会闪流浪地球》中的氦闪究竟是什么?| 袁岚峰

非常好的问题!如果你能从这个角度去思考,你的思维水平就超过了90%的人。下面,我们就先来解释一下为什么氢聚变不会闪。

答案非常有趣:太阳里存在一个自发的负反馈机制,就像人体维持体温、血压、pH值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强才能发生,而太阳的核心刚好达到了氢聚变的条件,可以让氢聚变成氦。太阳物质的万有引力使得它们向内塌缩,而氢聚变的能量使得它们向外膨胀,两者刚好达到平衡。最奇妙的是,这个平衡是自我维持的。

太阳核心的压强平衡(https://scienceatyourdoorstep.com/2020/08/24/helium-ignition-in-stars/)

为什么呢?因为如果核聚变太快了,放出的能量太多,核心就会膨胀,这会让核心的温度下降,于是核聚变又会变慢一些,恢复了平衡。反之,如果核聚变太慢了,放出的能量太少,核心就会收缩,这会让核心的温度上升,于是核聚变又会变快一些,同样恢复了平衡。

这个负反馈机制导致,几十亿年来太阳一直在以相对稳定的速度燃烧氢。这对我们是一个巨大的好消息。假如不是这样,太阳辐射忽高忽低,那么地球上的生命早就死光光了!因此,我们习以为常的“万物生长靠太阳”,其实是一种巨大的幸运。一个例子可以说明这种幸运的程度:目前预测太阳在十亿年后亮度将增强10%,这已经足以把海洋蒸发,消灭地球上的生命。

下面,我们再来解释为什么氦聚变就会闪。答案你已经能猜到了:氦聚变没有这样的负反馈机制。但为什么没有呢?

这里的基本原因在于,氦聚变难以点燃。两个原子核要聚变,首先要克服双方带正电的质子之间的排斥力。而氦有两个质子,氢只有一个质子,因此让两个氦聚到一起更困难,需要的温度更高。当太阳核心的氢消耗殆尽时,里面全都是氦,却不能发生聚变。这些氦就好比煤炉中煤炭燃烧剩下的灰烬,被称为“氦灰”(helium ash)

氢聚变成氦

太阳核心的氦灰在万有引力的作用下会继续向内塌缩,然后有趣的来了:氦进入了量子力学的“简并态”

所有的微观粒子分为两类,费米子和玻色子,例如电子、质子、中子属于费米子,光子属于玻色子。费米子要满足泡利不相容原理,即两个粒子不能属于同一个状态,而玻色子不需要满足泡利不相容原理。大家在高中学的原子中的电子排布,就是由泡利不相容原理决定的,所有可选的能级从低到高一路排上去,因为不能有两个电子挤在一块。当氦被挤得非常紧密时,它们的电子就处于所有可占据的低能级都排满了的状态,再来一个只能往上排。这种状态就叫做简并态,由此产生的压强叫做简并压。简并的意思是多个粒子处于同一个状态,简并压的意思是由于“粒子不愿意简并”产生的压强。

泡利不相容原理(https://scienceatyourdoorstep.com/2020/08/24/helium-ignition-in-stars/)

简并压有个要命的特点:它跟温度没有关系,只跟粒子密度有关。这个特点很要命,是因为它破坏了前面说的负反馈机制。当氦在引力的作用下向内塌缩时,温度升高,但压强不变,这就使得氦出现了一个奇异的场景。一开始温度比较低,氦完全不聚变。直到温度高达一亿度,这时氦终于被点燃了。但由于简并压与温度无关,它不能通过体积自发膨胀让聚变减速,反而是聚变放出的能量让温度升得更高,让更多的氦聚变。也就是说,只有正反馈,没有负反馈。这样的系统会发生什么?一场失控的爆炸。

这就是氦闪!在以秒计的时间里,太阳核心的氦剧烈地燃烧,产生的能量比平时高千亿倍。这时一个太阳的能量输出,顶得上整个银河系。因此,《流浪地球》里把它描述成毁灭性的闪光,是有道理的。

然而如果细究起来,这个描述其实不对。因为氦闪的能量爆发只是在太阳的内部,这些能量大部分被太阳本身吸收了,以至于在外界几乎看不出太阳的亮度有什么变化。因此,目前我们还没有观测到一颗氦闪的恒星,因为缺少观测的方法,这是一个活跃的研究前沿。 

2020年的论文《氦核闪的星震信号》

《流浪地球》原著里对氦闪的另一个描述是正确的:“太阳将变为一颗巨大但暗淡的红巨星,它膨胀到如此之大,地球将在太阳内部运行!”所以氦闪本身不是灾难,但伴随氦闪的太阳膨胀是灾难

变成红巨星的太阳

太阳为什么会膨胀?因为当太阳核心的氢耗尽时,随着核心温度的继续升高,核心边缘一层本来不能聚变的氢开始发生聚变。它产生的能量会把太阳外层向外掀,让太阳急剧膨胀。不过书里还是有点小错误,它说太阳变成红巨星发生在氦闪之后,实际上应该是之前。

核心边缘层的氢发生聚变,导致太阳膨胀

如果你了解了氦闪与太阳膨胀的原理,你的知识水平就超过了99%的人。不过我们也需要指出,这并不是一个迫在眉睫的危机。太阳目前的氢燃料还很充足,它变成红巨星是在50亿年之后,而不是几百年甚至几十年。因此,原著和电影中的背景“太阳急速老化”纯属虚构。然而能让我们居安思危,胸怀宇宙,就是了不起的价值。

在前两部电影中,都没有正式表现氦闪。在第二部中更是对太阳的关注都很少了,情节集中在地月系统内部的争斗上,最后把月球给炸了。月球要抗议:为什么地球和太阳打架,受伤的却是我?!《流浪地球2》科学顾问带你“流浪月球” | 梁文杰

期望在第三部中,氦闪这个宇宙奇观回到中心位置。在原著中,氦闪没有把人类搞死,由于不相信氦闪而反对流浪地球计划的叛军却差点把人类搞死。在这里就不多剧透了,没看过原著直接去看电影也有一种新奇的体验。

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。最近,中核集团、中国航天科技集团、中国建筑、中国石油、中国石化、中粮集团等纷纷喊话《流浪地球2》,宣传自己的科技贡献“整整齐齐的国家队排面”!

国家队团建式喊话流浪地球

这令我们想到,《流浪地球2》能激起这么多讨论,首先就是因为中国确实有了这些方面的科技基础。例如量子计算机、可控核聚变、空间站,中国都不但是有,而且称得上先进。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。

目前中国科技明显的短板大概只剩下芯片。假如拍个中国芯片世界最强的电影,可能就会遭到很多人的嘲笑,更大的可能是选题就过不了。又如印度、俄罗斯或任何一个中美之外的国家拍这样的电影,可能都过不了观众的第一关,——即使是韩国……反过来想,如果其他国家的科学家都以自己的研究出现在中国科幻作品中为荣,那说明我们真正成为了科技与文化的引领者。

软实力非常重要,但它是建立在硬实力的基础上的。有了软实力,又会帮助硬实力的发展。因此,我们更加期待《流浪地球3》,期待中国的科幻产业百花齐放,期待中国早日成为世界科技与文化的引领者!

■ 扩展阅读
《流浪地球》中的氦闪究竟是什么?| 袁岚峰
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“整整齐齐的国家队排面”!

■ 作者简介
袁岚峰
中国科学院科学传播研究中心副主任
中国科学技术大学科技传播系副主任
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员
科技与战略风云学会会长


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