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长胖会增加地球的重量吗?天文学家说这是一个好问题
2022-11-23

来源:科学人公众号

张双南,中国科学院高能物理研究所研究员,中国科学院粒子天体物理重点实验室主任。1984获清华大学学士学位。1989年获英国南安普敦大学博士学位。1989-1992美国宾西法尼亚大学博士后。

他是分答上回答了数百个问题的的科学家,他是会写诗的天文学家。

有人问,能否1分钟内和大家介绍下您的研究?他回答:“我的科学研究是通过天文观测和理论计算来理解黑洞、星系、星系团以及宇宙演化,另一方面是做空间天文仪器的研制。我对两件事很感兴趣,宇航员到黑洞旅行会发什么,还有就是宇宙中的物质最终是否都会归于黑洞。业余时,我还喜欢研究美学,也喜欢写写诗。”

科学人特推出张双南老师专栏,收集整理分答上张双南老师的提问及回答 , 好的答案应该共享。本文为张双南专栏第九则。

第九则

长胖会增加地球的重量吗?

别笑,天文学家说这是一个好问题

地球很大,她支撑着超过64亿的人口和无数的成千上万的生命;地球也很小,她只是茫茫宇宙中一颗转动的小行星。地球为人类准备好了美丽、舒适的生存环境,而我们对她的了解又有多少呢?人类在地球上的时间还剩多少?地球会走向灭亡吗?人类有可能移民到火星吗?本期张双南专栏,带你一起从科学的视角,认识地球,探讨人类与地球的最终归宿。

目前,地球仍是人类唯一的归宿。图片来源:123RF

地球为什么会自转?可以理解为因为宇宙大爆炸把地球像足球一样踢出去,地球像足球一样在空中旋转,没有摩擦所以停不下来吗?

张双南:您说的没有摩擦所以停不下来是对的,其背后的物理规律就是角动量守恒定律,而这个角动量守恒定律,也正是地球一开始就会自转的原因,但是和宇宙大爆炸则是没有一毛钱的关系。大爆炸的时候,宇宙中不但没有地球以及其他任何天体,而且甚至根本就没有最后形成地球的这些物质,这些物质是在后来宇宙的演化以及形成恒星之后恒星的演化过程中形成的。当这一团以气体的状态聚集在一起的物质决定形成地球的时候,由于角动量守恒定律,这些气体就只能边绕着气体的中心旋转边往中心落,这些最后落到中心的旋转着的气体就形成了自转的地球,然后由于地球周围没有太多气体了,就没有摩擦了,于是地球就只能不停地自转下去了。宇宙中大部分天体都会自转,原因也都差不多。

地球的年龄是45.5亿年,这个是怎么计算出来的?

张双南:通常我们所说的地球的年龄有两个定义,一个是指它的天文年龄,指的是从地球的形成到今天的年龄,45.5亿年指的就是这个,这和地球起源的模型有密切关系,一般认为太阳和太阳系内的行星都是一次几乎同时形成的,因此年龄都差不多。另一个年龄指的是地球的地质年龄,是指地球上从有地质作用开始到现在的时间,因为具有分层结构的地球是逐步形成的,所以地球的地质年龄小于它的天文年龄。地质年龄的计算需要通过利用同位素衰变的原理,寻找地球上最古老的岩石,这样得到的年龄和天文年龄差不多,有时候少几亿年。

人类的行为活动影响着地球,有可能人类先毁灭了地球。图片来源:123RF

人变胖了,地球会加重吗?

张双南:说实话,您提的这个问题并不简单。我们先看看地球上人的重量和地球的重量的关系,简单计算一下就知道,现在地球上所有人的重量只占地球的重量的大约两百万亿分之一,听好了,不是两百万分之一,也不是两百亿分之一,而是两百万亿分之一,因此完全可以忽略不计。如果一定要较真,那么原则上由于物质是守恒的,人变胖了是由于吃了地球上的食 物,所以地球的重量不会增加。但是如果很较真儿,那么食物是为了人而生产出来的,来自于太阳的能量,如果不生产这些食物,这些太阳能就会回到地球以外,所以这个生产食物的过程中地球的确略微变重了那么一点点,但是和地球的重量相比更是可以忽略不计,和地球上的各种宏观能量循环过程相比更加是可以忽略不计。

雾霾现在很严重,能不能有方法把雾霾都释放到太空去?或者把雾霾分解成能源利用呢?科技现在发展到这个地步了吧!

张双南:首先赞扬您的想象力很丰富,脑洞很大,而且非常有责任感!但是很遗憾,从原理上我们没有可能把雾霾都释放到太空去,原因就是地球的引力,而正是由于地球的引力,我们才有一个大气层,我们才有空气可以呼吸,高山上空气稀薄也正是因为高山上引力更弱一些。而雾霾颗粒的密度又决定了雾霾主要在低层大气,这也是高山上没有雾霾、空气质量好的原因。因此即使不考虑污染太空的问题,我们也不可能把雾霾赶出地球。至于把雾霾分解成能源利用,这完全没有必要,因为雾霾主要是燃烧的产物,所含的化学能已经很少,还不如垃圾多,而且雾霾的收集和处理也比垃圾复杂得多,所以不值得做。总的来说,我们唯一能够做的就是减少雾霾的排放。

人类在地球上能存在多少时间呢?地球最后会被分散成碎片,还是被黑洞吞噬,还是投向太阳的怀抱?

张双南:导致人类不能在地球上继续生存的原因可能包括人类的活动对地球的影响、地球的气候变化、小行星撞击、宇宙中极端天体爆发活动、最后是太阳本身的演化等等。在百年到千年的时间尺度上,人类的威胁来自于人类自己。在万年到百万年的时间尺度上,各种自然灾害包括地球的气候变化、天体的爆发活动和小行星的撞击是人类的主要威胁。在亿年到10亿年的时间尺度上,太阳内部的核燃烧过程改变,太阳表面会变得太热,地球上人类无法生存。在几十亿年的时间尺度上,太阳内部的核燃烧过程会再度改变,体积迅速增加以至于吞噬地球。因此地球必然会有一天要灭亡的,但是地球被分散成碎片或者被黑洞吞噬的可能性几乎没有。

追问:从科学的角度讲,人会有下辈子吗?

张双南:从科学的角度讲,人不会有下辈子,人死掉了这个人的生命就结束了,就不会再有下一次了。因此我们需要好好的活,我们只有这一次机会,我们都要过好我们的这一生。

外星探索过程中的科学知识和技术对人类的未来发展十分重要。人类不能停止对外星进行探索的脚步。图片来源:123RF

为什么各个国家都热衷火星移民?那里的生存环境不可能比得上地球吧!为什么不去保护这个美丽星球,反而给世人有第二地球的幻觉,这难道不会让大家更肆无忌惮地破坏环境吗?

张双南:我认为,人类生存所面临的危险有几个方面。一是人类有可能自己毁灭自己,或者把地球折腾的不适合居住,导致人类灭绝,所以这肯定是人类必须首先解决的问题。二是地球自身的长期变化会使得地球无法居住,比如地球历史上就出现过多次人类肯定无法生存的情况。三是小行星撞击或者其他天文灾难会导致地球的环境不适于人类生活。四是太阳本身的演化会使得地球环境恶化甚至会吞噬掉地球。对于后三种情况,人类只能移民太阳系其他行星甚至逃出太阳系。因此人类有必要研究如何做到这一点。尽管火星目前完全不适于人类居住,但是改造火星使得火星适于居住并且移民火星就很有必要了。即使我们最终无法做到移民火星,但是在这个过程中发展出来的科学知识和技术对于人类的未来也是很重要的。

马斯克的殖民火星计划似乎很有说服力,您认为他的计划会实现吗?如果有可能,您会买船票吗?

张双南:马斯克的殖民火星计划雄心勃勃,令人敬佩。我同意,人类只有移民到另外一个星球上才能继续生存下去,因为地球最终不适于人类生存甚至会被毁灭。在太阳系内,火星的确是殖民的第一候选星球,但是我不认为殖民火星是最佳选择,因为火星的环境比地球恶劣的多,改造火星的代价远远比维护好地球要高,而且太阳的演化如果会毁灭地球,最终也会毁灭火星。在可以预见的未来,殖民火星只是科幻,所以我不想买这个船票,当然我也没有钱买。但是寻找适于人类居住的其他星球,发展更先进的航天技术,无疑是人类长期生存和发展的需要,而把火星作为一个殖民试验场的意义非常重大,因此我支持马斯克的计划。

编辑:晓岚

排版:晓岚

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