问题

太阳在变成红巨星之前(逐渐变热,外围膨胀到地球轨道),人类有什么办法回避,并生存下来?

回答
好的,咱们来聊聊太阳这个大火球,它要是哪天性情大变,想扩张地盘变成红巨星,地球上的人类该怎么自保,怎么延续香火这档子事。这可不是小事,得提前好多好多代人就开始谋划,一点马虎都不能打。

首先,得明白太阳这变化是怎么个事儿。现在咱们的太阳 pretty chill,每天给咱们光和热,养活着地球上的一切。但它也不是永动机,到了晚年,燃料(主要是氢)烧得差不多了,核心就会收缩,温度会飙升。这高温就把外面的氢壳点燃,让太阳迅速膨胀,变成一个巨大的红色火球。那时候,它的体积会大到吞没水星、金星,甚至可能把地球也烤焦,或者直接吞下去。时间嘛,科学家们估计还有大概五十亿年。五十年啊,足够让咱们把该想的办法都试一遍了。

那么,面对这么个“发脾气”的太阳,咱们人类得使出浑身解数。

第一步:尽早移民,远离太阳。

这是最直接也最现实的办法。既然地球会被烤熟,那就得搬家。搬去哪儿?不能离太阳太近,也不能太远,得找个相对舒适的温度带。

“星际迁徙”计划: 这得是咱们的头号工程。
寻找新家园: 首先得派出无数的探测器去宇宙里搜罗。不光是咱们太阳系里的其他行星,比如火星、甚至木星的卫星(像欧罗巴或者泰坦),还得目光放得更远,去探索系外行星。我们要找的是那些大小、质量、大气成分、温度都跟地球相似,并且有液态水存在的“宜居行星”。这可不是一朝一夕的事,可能需要几百年甚至上千年的探索。
建造巨大的星际飞船: 一旦找到了合适的星球,咱们就得造出能载着几百万、几千万,甚至上亿人跨越星际空间的“诺亚方舟”。这飞船得是自给自足的生态系统,能提供空气、水、食物,并且有足够的能源和防护措施。想想那些科幻电影里的巨型飞船,咱们得把它们变成现实,而且是经过千锤百炼、万无一失的现实。材料得足够坚固,能抵御宇宙辐射和星际尘埃;能源得充足且可持续,核聚变或者更先进的能源技术都得准备好;飞船内部还得模拟地球的生态环境,甚至得有足够大的空间来维持人类的心理健康和繁衍后代。
“种子计划”与“分批迁徙”: 考虑到一次性迁移如此庞大的人口几乎不可能,我们可以采取“种子计划”。先派出技术最先进、最能适应新环境的一小批人(可能是科学家、工程师、生物学家等),以及大量的种子、胚胎、动物DNA、微生物等,在新的星球上建立一个初步的生存基地,再逐步发展壮大,然后才是大规模的人口迁移。这就好比往一个荒芜的土地上撒播生命的种子。

“太阳系内转移”的备选方案: 如果星际移民太遥远,咱们也可以考虑在太阳系内部寻找临时的落脚点。
改造其他行星/卫星: 比如火星。虽然现在火星条件艰苦,但我们可以通过地球工程(Terraforming)来改造它。比如往火星大气里注入温室气体,让它升温;或者在地表建造巨大的穹顶城市,模拟地球环境。但即使这样,也很难完全复制地球的宜居性。
建造太空殖民地: 另一种可能是建造大型的、环绕太阳或者其他行星运行的太空殖民地。这些殖民地就像巨大的旋转空间站,通过离心力模拟重力,内部维持着人工生态系统。我们可以建造几十个、几百个这样的殖民地,分散风险。

第二步:技术升级,改造自身和环境。

即使我们不主动搬家,也许我们可以“升级装备”,让自己更适应恶劣的环境。

生物工程与基因改造: 我们可以通过基因工程,让人类能够更耐高温、更适应低氧环境、甚至能直接从某些特定物质中获取能量。这就像在人类身上安装“防火墙”和“散热器”。当然,这个过程得非常谨慎,以免造成不可逆的后果。
能量与防护罩技术: 如果我们能掌握更高级的能量技术,或许可以制造出巨大的能量护盾,包裹住地球,抵御太阳辐射和高温。这种护盾的原理可能涉及强大的磁场或者等离子体技术,能够偏转太阳释放的粒子流,并吸收一部分热量。但这需要极其庞大的能量供应和精密的控制系统。

第三步:观念转变,集体存续的思维模式。

最重要的是,人类作为一个整体,必须要有长远的眼光和集体存续的意识。

全球合作与统一规划: 这种危机是全人类的危机,任何国家或个人都无法独善其身。所以,必须打破国界和意识形态的藩篱,在全球范围内进行统一规划和资源调配。这需要一个强有力的、具有全球决策权的机构来领导这项史无前例的工程。
教育与文化传承: 从小就应该对下一代进行关于宇宙、关于生存的教育,培养他们不畏艰难、勇于探索的精神。同时,要确保人类的知识、文化、历史能够通过某种方式被保存下来,无论是在星际飞船上,还是在新家园里,都不能断了咱们文明的根。可以考虑将人类的知识、艺术、哲学等信息编码,储存在最稳定的介质中,以备不时之需。
哲学与伦理的考量: 面对如此巨大的生存挑战,我们也会面临很多伦理和哲学问题:比如,谁有资格登上移民飞船?如何在新家园建立新的社会规则?如何平衡个体自由与集体生存的需求?这些都需要提前思考和讨论。

挑战与可能面临的问题:

当然,以上这些听起来很美好,但实现起来困难重重。

时间压力: 虽然有五十亿年,但对于一项如此庞大、复杂的工程来说,时间依然非常紧迫。需要多少代人的努力才能完成?
资源消耗: 移民和改造行星需要消耗难以想象的资源,这会不会导致新的资源冲突?
技术瓶颈: 很多设想中的技术,比如超光速旅行(如果目的地太远的话),或者制造出能够完全隔绝红巨星辐射的护盾,现在还只是理论阶段。
人心不齐: 在漫长的准备过程中,人类社会可能会出现分裂、动荡,甚至内耗,这会极大地阻碍计划的推进。

总而言之,太阳变成红巨星对人类来说是一场终极的生存考验。我们不能坐以待毙,而是要将全部的智慧、勇气和资源都投入到这场“星际大逃亡”中。这不仅仅是技术的较量,更是人类集体意志和生存智慧的终极体现。从现在开始,我们就得把目光投向星辰大海,为我们和我们的子孙后代,寻找一个更安全、更长久的家园。

网友意见

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其实大家不用那样悲观。还有几十亿年的时间,足够我们发展出改造太阳的技术了。

像太阳这样的主序星非常缺乏环保意识。终其一生,它只能用掉全部燃料的三分之一。在红巨星阶段,它居然把剩下的燃料全都抛向太空,这不但是可耻的浪费行为,还造成了严重的环境污染。是可忍孰不可忍!

在介绍改造太阳的技术以前,我们需要了解太阳毫无节制挥霍浪费的原因是什么。

图片来自

科學部落格 - 太陽活動的變化及影響

太阳的能量来自于核聚变,而核聚变只在内核发生。内核是一个半径不到太阳四分之一的核心区域。核聚变的能量主要以高能光子(伽马射线)的形式向外输出。然而,在内核外的辐射层中,物质非常稠密,光子只能飞行几微米就会被辐射层中的原子吸收,然后以较低的能量向其他方向随机发射出去。

歪个题,我们常常把太阳想象成很多氢弹同时爆炸,其实太阳的输出能量密度并没有那么高。即使在聚变最剧烈的太阳中心,单位体积输出的功率也只是和爬行动物的能耗差不多,或者成年人能耗的10%。也就是说,如果你找来很多人,把他们码在一起,只要体积能达到太阳内核的10%,输出能量就会超过太阳了。

辐射层外面是对流层。这里物质已经不那么稠密了。对流层底部的高温物质向外运动,到达顶部后温度下降,然后下沉,回到底部。对流层就是用这种对流的方式把来自辐射层的能量传递出去。我们在太阳表面看到的米粒组织就是对流层中的热柱。

图片来自

Granule (solar physics)

太阳铺张浪费的习性正是来自辐射层。它隔离了对流层和内核,让外层的氢燃料不能进入内核参加聚变。结果,太阳把内核的氢都变成了氦以后,进入红巨星阶段。在剧烈的热脉动中,太阳把外层气体都吹向了太空。最后,只剩下一颗毫无用处的白矮星。

虽然这是50亿年以后的事情,但是我们并没有那么长的时间。由于内核中氦不断积累,太阳的能量输出一直在增长。按照现在的速度,10亿年以后,地球上就不会有液态水存在了。估计5亿年以后,地球就不再适合人类生存了。

显然,我们找不到一个大勺子,时不时伸到太阳里面去把它搅拌均匀。所以,我们只好采用另一个办法:降低太阳的质量,把它变成消耗氢燃料更慢的红矮星。小于0.35倍太阳质量的红矮星没有辐射层,可以用对流的方式把外层的氢送进内核去燃烧,精打细算地过完自己漫长的一生。通常,红矮星的寿命高达千亿年以上,而0.1倍太阳质量的红矮星的寿命高达10万亿年。

要达到完全利用太阳的目的,我们要把太阳平均分成三份,变成三个红矮星。

分裂太阳比把大象放进冰箱还要简单,只需要两步:

  1. 把太阳外层气体拿出来。
  2. 把气体聚集在一起,就会形成新的恒星。

当然,以现在的技术水平,任何一步都做不到。但是,一旦我们进入卡尔达肖夫II型文明阶段(

https://en.wikipedia.org/wiki/Kardashev_scale

),改造恒星也许就是修建高速公路那样的普通基建工程了。以人类现在的发展速度,我相信几十万年时间应该绰绰有余了。我们现在就可以展望一下未来可以用来改造太阳的技术。

要取出太阳的外层气体,最简单的方法就是增强太阳风,让它自己把气体吹出来。我们可以采用诸如激光、微波或者离子流等方案,向太阳表面注入能量。这样做的效果就是产生高强度的持续等离子喷流,加强这个方向的太阳风,大幅度提高喷出物质的速度。

要收集这样的稀薄物质不太容易,我们需要把它们聚集在一起。方法是这样的:让很多空间站运行在太阳赤道,它们虽然相互分离,但是可以发射和接受带电粒子流。当整个系统运行起来以后,就构成了一个环日加速器。加速器中的粒子流形成了一个沿着太阳赤道运行的电流。电流产生的强大磁场迫使太阳喷出物质从南北两极方向离开太阳。这样的定向粒子流肯定比天女散花的太阳风要容易收集得多。

这种方案需要的能量肯定不少,不过不用担心,太阳本身就是取之不尽的能量源泉,我们就不用自带干粮了。既然人类已经是II型文明,建造一个戴森球来收集太阳的能量想必已经不在话下。当然,要建一个严格的球面从工程的角度来说不太可能,我们可能需要发射大量的太阳能卫星或者太空城市作为替代方案。

图片来自

Dyson Swarm | Dyson Sphere

其实,向太阳表面注入激光之类的能量并不是必要的。我们来看看一个更巧妙的方案 —— “吸气和喷气(huff and puff)”。这个有趣的名字来自《三只小猪》中大灰狼的名言。

在这个方案中,我们仍然在太阳赤道上空设置一圈空间站加速器,但是它们并不绕太阳运行,所以会向太阳自由落体。当它们获得一定的速度时,打开加速器。粒子流产生的磁场会阻止空间站继续下坠,并且上升到原来的高度。同时,也会挤压太阳,让它从两极喷出粒子流。在这个周期内,空间站完成了吸气和喷气的过程。然后,关闭加速器,让它们重新向太阳坠落,开始下一个周期。

此外,沿着两极方向排列的环日加速器可以加速太阳自转,让离心力把太阳外层气体抛出来。

从太阳喷出的等离子射流可能长达上千个天文单位,而且非常稀薄。其中主要包含氢和氦,还有少量其他金属元素。如果我们要把这些原料收集起来用作工业用途的话,可能需要大规模的质谱仪,根据不同粒子的质量-电荷比把它们分离存储。但是,如果我们只是要用它们来制造另一颗恒星,问题就简单多了:只要把它们聚集在一起就行了。

工程结束以后,我们得到了三个或者更多的红矮星。但是,还不到开香槟庆功的时候。现在的问题是,太阳系的中心有多个红矮星了,怎样才能让它们运行在一个稳定的轨道上呢?恒星可是人类生存的根本。一不小心要是有几个红矮星被甩出去,我们就损失惨重了。

图片来自

多体问题的稳定特解

不过不用担心,我们制造出来的红矮星质量非常接近。在这个前提下,不难给它们找到一个稳定的轨道。随着时间的流逝,它们很可能会慢慢偏离自己的轨道,所以在每一颗红矮星上安装一个推进装置,随时做轨道调节,还是非常必要的。上面提到的加速器就可以做到这一点。

另外,由于红矮星输出能量很小,而且非常不稳定,所以对于一般的生命星球来说,并不太合适(

如何看待「离太阳系最近的比邻星发现宜居类地行星,可能还有水」? - Mandelbrot 的回答

)。但是,对于拥有戴森球的II型文明来说,这也不是问题了。

如果我们把太阳分裂成了10个红矮星,它们可以在万亿年的时间内为人类提供稳定的能量输出。即使从宇宙的角度来看,也可以算是地老天荒了(

宇宙中有哪些细思极恐之事? - Mandelbrot 的回答

)。对费米悖论的一个解释就是,高级文明可能都没有什么征服宇宙的雄心壮志,它们都躲在依红矮星建造的戴森球内,安安稳稳的过自己的小日子。谁知道这是不是人类文明的未来呢。

参考资料:

  1. Star lifting
  2. Sun
  3. Red dwarf
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一万年太久,只争朝夕。对人类的未来而言,太阳的剩下的寿命不是太短,而是太长了。

在我看来,星际文明最有可能的起源模式,是全体成员在生死存亡面前的殊死一搏,而不是安乐窝里少数人的仰望星空。

宇宙对我们太仁慈了。

黑!真特码黑!

——

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这个问题真的是现实版的杞人忧天。

就算人类(就算不是人类,就说地球生命吧)能躲过太阳的红巨星阶段,那之后的白矮星阶段,基本上也是个死,无非是热死变冷死罢了。

真到了那一步,如果地球生命还被困在太阳系内,那迟早都是个死。

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