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人類能夠生活在地球上是概率極低的幸運事件,不僅是因為地球適宜的位置孕育出了生命,同時周圍的環境條件幫助它躲避了一次又一次可能的毀滅性事件,F代科學試圖尋找另一個可供地球人居住的星球,但推算與觀測的結果都十分渺茫。大氣層為我們遮蔽了宇宙的黑暗,然而,我們可能依然要用理性的目光去看待、并接受宇宙運動那冷酷的物理過程。


本文出自《新京報·書評周刊》11月26日專題《繽紛與冷酷 宇宙探索簡史》的B06-07。

太陽——呼吸求救信號

相比于黑洞,太陽距離我們要近得多,一旦太陽發生什么危機,它帶給我們的打擊也更嚴重。太陽常見的日冕活動所導致的物質拋射,就會對地球上的粒子和磁場產生嚴重的影響。1859年,一次日冕拋射導致了地球的電報系統完全失效。所幸,地球有自己的磁場和大氣層,日冕拋射物質沒有直接射向地球而是受磁場干擾發生偏轉,或者直接被大氣層吸收。即使如此,大量的電流還是會穿過地球,可能會直接破壞電廠與發電設施。為了盡可能規避日冕拋射帶來的損失,2018年,一顆太陽能衛星被發射到太陽附近,用于觀測太陽表面的磁場活動。如果觀測到大規模的、將給地球帶來嚴重破壞的日冕拋射,那么太空總署將發出預警信號,人類可以提前關閉部分易受干擾的系統設施,盡可能減少損失。

太陽孕育了我們,同時也控制著我們的命運。它看起來是個球體,其實是一團等離子球,是在我們平常接觸到的液態、固態、氣態外的第四種物質狀態,只有在極高溫的情況下,氣體失去電子而與離子結合之后才會形成的狀態。這是所有恒星誕生的規律。用微觀物理視角去看的話,龐大的太陽也就是一團氣體分子,但它有著驚人的質量——想象一個被吹脹的、同時具有鉛球重量的氣球。在核聚變發硬和氣體壓縮中,太陽的質量已經達到了整個太陽系的99%。

但太陽——以及所有的恒星都會遭遇一個危機:氣體不足。

恒星的形成與持存,可以理解為一場核聚變的呼吸,它們將氫元素轉化為氦元素,從而產生更多的熱量。目前,太陽已經在宇宙中呼吸了45億年,正處于中年期,還在繼續變熱變亮,大概再過30億年,呼吸系統就會出現問題,周圍的氫氣被消耗殆盡,屆時,太陽會從恒星變成一顆紅巨星(所有恒星燃燒到后期所要經歷的階段),體積膨脹200倍左右,表面溫度也要下降。這時,太陽就會變成兒童畫中那樣,一個徹底的紅彤彤的圓球。

再之后,因為氫元素被消耗完,太陽會進入氦聚變的過程。一系列的脈沖和內核的坍縮會從內部將太陽的外殼給沖碎,從而變成一團星云,在星云中央,會是一個由殘余內核形成的白矮星。它會開始冷卻,黯淡,不再發光,最終變成一顆黑矮星——一個由碳和塵埃組成的殘骸。宇宙目前的年紀(137億年)還不足以在其中形成黑矮星(需要200萬億年),但它極有可能是所有恒星們的終點。


仙女座星系。仙女座星系(編號M31)距離銀河系并不遠,同時,它是本星系中最龐大的一個星系,外觀與銀河系也非常相像。目前觀測顯示,仙女座星系正以每秒鐘300~400公里的速度向地球迅速靠攏。按照這個速度推算,在大概45億年(一說為30億年)后,仙女座星系就會和我們的銀河系迎面撞上。聽起來像是一場毀滅性的事件,但神奇的是,天文現實卻并非如此,星系與星系間的相遇是宇宙中的常見現象,并不會造成恒星的毀滅,只是兩個星系中的黑洞會合為一體,然后重組為一個新的、更龐大的星系。屆時,如果人類文明還在地球上存在的話,有可能會觀測到兩條銀河如絲帶般纏綿在夜晚上空。相比于龐大的星系合并,小行星給地球帶來的毀滅性要可怕得多。

新星球——尋找第二個家園

無論地球的生存條件如何,它都是我們的家園。但它終有一天會毀滅(盡管我們對人類文明能否持續到那個時期也存在懷疑),那么,在宇宙中,我們是否還能找到第二個適宜生命居住的星球呢。

一段時間里,火星似乎是個不錯的選擇。它離地球不遠,人們也在上面找到了水可能存在的痕跡,但是,一來火星氣壓很低,如果移民到火星上,那么人人都有患上減壓病的風險,必須穿著特殊的航空制服生活,二來,剛才說的小行星事件也提到了,一些可能襲擊地球的小行星會在引力作用下轉而飛向火星,所以其實火星的安全條件和地球相比也遜色許多,最后一點,如果等到太陽進入紅巨星的階段,那么同為太陽系的行星,火星也無法幸存。如果要找到一個能夠在地球遭遇不可幸存的危機時,還能繼續長期生活的星球,我們就必須將目光放在太陽系外。

開普勒-438b可能是我們發現的最接近地球的宜居星球,在0~1的宜居等級評分中,它獲得了0.88的評估結果。不過要注意,這里的宜居只是相對而言。開普勒-438b的大小體積和地球幾乎一致,環繞著天琴座的一顆紅矮星運轉,保持的光照距離足以保證液態水的存在,甚至有可能存在大氣層(暫時無法通過觀測確定),離我們也不遠,只有12光年。然而,它的地表溫度有60℃,而且每隔100天左右就會有一次耀斑釋放,釋放的能量足以毀滅這個星球上所有的生命。


開普勒-438b。

在目前已知的行星系統中,已發現的總數為2015顆,沒有一個可以同時具備三個以上的類似地球的生存條件。在無法直接觀測到的系外行星中,經過物理計算和經過這些系外行星的彗星所攜帶的塵埃痕跡推算,能符合最基本的一點——可以保存液態水——這個條件的行星,存在性也微乎其微。即使存在,我們能否制造出星際飛船抵達這個星球也是個問題。如果要對一個勉強符合幾個條件的星球進行宜居改造的話,那也是個天文工程,人類需要建設大氣層,建造綠植,改變空氣環境,或者,人類為此要對自己的身體進行基因改造,變成符合新星球環境的身體構造,例如可以直接呼吸氫氣或者改變骨骼密度。就算這個技術在未來能變成絕對安全穩定的通用技術,但地球并不是人類獨有的,還有大量的動植物和微生物,甚至細菌,它們已經和人類形成了共生關系,我們又如何將它們轉移到新的星球上去呢?

總之,即使按照宇宙無限可能的概念,在遙遠的地方必然會存在一個與地球相似的,有生命的星球,我們也不會抵達;如果要在可以抵達的地方重建一個地球2.0版本的家園,它的工程量也極為浩大。以現有的視界來看,地球就是宇宙中獨一無二的一個角落,我們能做的,就是盡可能地珍惜它存在的時間,珍惜在它身上出現的一切奇妙現象,虛無是宇宙的本質,而生命則是虛無之中的一道微光,正如浪漫的物理學家卡爾·薩根在《宇宙》中所言——

“如你所見,空間和時間彼此交織。行星和恒星也和人類一般,從生到死。從恒星的角度來看,人類,這種數量多達幾十億,生命轉瞬即逝的生物,都擠在一個異常寒冷、堅固,而且遙遠的硅酸鹽鐵球體上!


“放眼宇宙,每一顆行星的未來都由它們當下的變化決定。而我們的小星球,恰好處于歷史的重要岔路口……無論我們在這個時代做出什么抉擇,都將深深影響一代又一代子孫,以及他們通往群星的命運!

小行星——是否可以與之抗衡

太陽的威脅起碼在時間上距離我們相當遙遠,而小行星的威脅卻似乎一直存在。如果恐龍滅絕是由小行星撞擊地球導致的話,那么,從恐龍滅絕到今天衍生的現代人類社會,這個時間間隔對于地球來說,也就是一眨眼之間的事情。

科技與文明的發展讓人們曾經遺忘過這些“一眨眼之間”的事情。邁入現代文明之前的人類社會,被各種災難與末日言論干擾著,要面對鼠疫、饑荒、宗教傳說中的滅世大洪水,還有最終審判等等。隨著科學發展,這些事情都已經漸漸遠離了社會,人們忙著在進化論、物理學、化學發現上投入樂觀的目光,當人們一步步發現世界的本質后,所謂的“世界末日言論”就變成了天方夜譚。但是在1908年,通古斯河畔的事件喚醒了人類的末日意識。該年的6月30日,一顆小行星進入了地球大氣層,然后在空中爆炸,并且在西伯利亞地區夷平了一個相當于倫敦市大小的區域,圣彼得堡、柏林、倫敦等地的氣象站都監測到了這次爆炸,但直到20年后,才有考察人員前往當地,研究小行星襲擊地球帶來的影響。

通古斯河畔的遺跡很奇怪,它只有一個圓形的爆炸中心,并沒有形成隕石坑,比較準確的推測是流星在大氣層中就已經爆炸,并沒有直接撞擊地球。根據爆炸現場推測,這個小行星的體積約為直徑60米,重10萬噸。它在通古斯河畔上空的爆炸釋放出了相當于廣島原子彈1000萬倍的能量,如果在城市上空,會造成千萬人的死亡,如果不是在上空爆炸而是撞擊地表,那么后果更加不堪設想。

另一個現代人類直接觀測到的撞擊,來自于我們遙遠的鄰居,木星。一顆彗星在1994年撞擊了木星本體。諷刺的是,媒體幾個月前在采訪當時歐洲天文中心的負責人時,詢問對方小行星撞擊一個星球的概率會是多少,那個負責人很自信地表示這個概率只有百萬分之一。然而幾個月后,這件事情就在木星上發生了。7月16日,舒美克-利維彗星以每秒60千米的速度擊中了木星,5分鐘后,爆炸范圍蔓延到了木星上空3000千米的區域,最后在木星上形成了一個撞擊疤痕——疤痕的面積大小與地球相當。

這個事情讓人們意識到,在小行星事件面前,概率學是不管用的。這并不是說當時那位發言的負責人是在信口開河,或者宇宙物理學家的邏輯出現了問題,就數學統計而言,他們的結論沒有任何問題。然而,宇宙中存在的小行星基數難以衡量(美國波士頓史密森天體物理天文臺預估,近地天體的數量可能是30億個),而且流星與彗星碎片本身不會發光,想要在黑暗的宇宙中觀測到它們并非易事,有可能當我們觀測到的時候,它們和地球的距離已經是咫尺之間,像通古斯的小行星事件,大概每隔一個世紀就會發生一次。它們并不需要很龐大,只需要幾十米左右的直徑(可能就是半個停車場的大。,撞上地球后就足以對人類產生毀滅性的打擊。對地球本身來說,小行星撞擊就和一個人被扔來的紙球砸中了差不多,但對人類而言,那就相當于每座城市的附近都發生了一次核爆炸。

我們應該感謝地球獨一無二的環境,它存在于宇宙這么一個危險的射擊場中,然而周圍的鄰居有時會幫忙擋槍。月球在這方面可能起到了一部分作用。上文提到的木星起到的作用更大一些,因為龐大的體積和強大的引力場,很多小行星都會被牽引著改變軌道,從而撞向木星,幫助我們規避了一些可能發生的小行星事件。

天文研究人士用都靈指數來評估小行星撞擊地球的危險性,指數分級從0到10。目前觀測到的小行星評級都是0(無風險),最大的風險出現在2004年,小行星99942(又名“毀神星”)被給出了都靈指數4的評估,在近200次的軌道觀測后,天文學家駭然發現,它將會在2029年撞擊地球,極可能造成人類文明的毀滅。好在半年后的觀測顯示,受到火星的引力干擾后,它已經改變了軌道,它將會在2029年4月抵達離地球最近的位置——距地表6萬千米處,然后改變軌道,飛向火星。它撞擊地球的概率,也從1/450下降到了百萬分之四。


毀神星。

如果有一天,真的出現了100%概率撞擊地球的小行星,人類目前的應對方法是考慮改變軌道和武器襲擊,我們可以在小行星附近制造出一場爆炸,從而使它改變軌道。除非遇到特別龐大的行星撞擊,否則,人類還是有自衛的手段的。最困難的一點在于如何觀測到它們。這些直徑只有幾十米的小行星與塵埃碎片在宇宙中近乎隱形。2000年底,人們評估一個天體撞擊地球的概率為五百分之一,但人們無法通過觀測確定這個天體究竟是小行星還是一個太空垃圾。地球在宇宙環境中潛在的威脅有很多,對此,我們只能保持對宇宙環境的關注,盡力捕捉到其中的任何風吹草動。

黑洞——它能被人類利用嗎?

在目前大眾對宇宙的認知中,黑洞,毫無疑問給我們留下了最可怕的印象,它會吞噬掉周圍的一切,即使是光都無法逃脫。

黑洞是在大質量恒星坍縮的情況下形成的。在沒有變成黑洞之前,恒星保持著近乎恒定的重力,然而隨著坍縮,恒星開始瘋狂收縮,質量與引力都變得無窮大。1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,后來就有人在愛因斯坦的物理方程式中發現,它計算的結果會在某些情況下變得無窮大,這個結論會毀滅掉已知的宇宙體系。當時人們尚在糾結愛因斯坦公式的正確性以及對相應的宇宙運行體系提出了一些補充的想法。(另外,與黑洞相對的白洞,也是在1964年,由俄國物理學家伊戈爾·諾維科夫從愛因斯坦方程式中推測出來的,它在理論上存在的可能性極高,但目前還沒有任何實質觀測。)

1970年,人類首次確定了黑洞的存在。美國的人造衛星在天鵝座附近發現,一個比太陽龐大30倍的星球正被某個看不見的中心牽著走。這是黑洞第一次將面目展示在人類面前。這看起來是一個會讓人感到恐懼的未來圖景,會不會有一天,地球的附近也出現一個黑洞,地球與太陽都無法逃脫它的魔掌,一點點被它給吞噬掉?

日本漫畫家伊藤潤二在《地獄星》中就創造了這么一個星球,沿途吃掉一切其他行星,最后將觸手伸向了地球。伊藤潤二的漫畫作品無疑是對未來以及在極端絕望中表現出的人性之惡的具象表達,但是,這個結局倒是有可能會成為現實。黑洞是絕望而讓人恐怖的,但黑洞卻極可能是宇宙本身最核心的部分,據推測銀河系的中心可能就是一個質量超出人類想象的巨大黑洞,依靠不斷吞噬恒星來自我成長。


《地獄星》,作者:[日]伊藤潤二,譯者:鄭曉蕾,版本:新星出版社2021年10月。

根據宇宙大爆炸和暴脹理論,宇宙是在不斷膨脹中的,可按照大爆炸后的理論,宇宙的基本粒子數量和密度已經固定,如果宇宙還在不斷擴張,那么,宇宙的半徑增大,原子的密度變小,極有可能,在宇宙的不同地方會出現越來越多的黑洞,更不用說恒星會在壽命結束后,經歷漫長的時間最終也變成一個黑洞。1982年,美國加州理工學院的物理學家史蒂文·弗洛茨基推論,可從黑洞獲得的能量將會迅速減少,現代物理學家重新檢驗了這個設想,發現了一個很糟糕的結果——黑洞的體積可能超乎想象,如果它不斷吸收能量的話,它的體積將比我們已知的宇宙還要龐大。

不過人們對黑洞的了解還在探索當中。在既定的認知中,黑洞與白洞是理論上截然相反的兩種現象,白洞只向外釋放能量而不吸收任何能量,而黑洞吞噬一切卻不會釋放出任何幸存者。但斯蒂芬·霍金在2016年做了一場演講,認為黑洞并不是人們認知的那樣,它也在向外發射能量甚至光芒。根據霍金的研究和計算,“黑洞似乎是在以穩定的速率發射粒子。最終使我確信它是一個真實存在的物理過程的理由是,飛離的粒子是精確地熱性的。我的計算預言,黑洞將會產生粒子并發射輻射,恰如其他普通的熱體一樣,其擁有的熱度和其表面引力大小成正比,即和它的質量大小成反比”;艚鸬倪@個判斷不僅顛覆了普通人的認知,也讓大量物理學家一時間難以接受;艚鹕踔撂岢隽艘粋更大膽的設想,利用微型黑洞——雖然可惜人們暫時連太陽大小的微型黑洞都沒有發現,但霍金相信黑洞的輻射能夠提供能量,假若有一天能發現和一座山大小差不多的超級微型黑洞,那么這個黑洞放射出的能量足夠給整個地球提供電能。

即使在宇宙中找不到也沒關系,可以在時空之外的其他維度中(超越四維和五維)利用引力,人為制造出一個黑洞來。不過因為黑洞的密度過大,會沉入地心,霍金建議未來將這個能發電的微型黑洞懸掛在環繞地球的軌道上。

不知道某一天,黑洞是否會成為人類開發利用的新能源,即使霍金的這個想法真的可以實現,那也肯定是漫長的無數個世紀之后了。然后,這個用于發電的人造黑洞又會不會脫離人類的控制,轉而反噬地球呢——科技的神奇與可怕,在這個想法上完美地統一了起來。但我相信,以人類本性對能源的需求而言,鋌而走險的事情,我們的未來后代們肯定是會去做的。

作者 | 宮子

編輯 | 李永博 青青子

校對 | 薛京寧

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