假如地球每秒扩张1厘米

 

编者按:《what if》是兰道尔门罗(Randall Munroe)的著作,书中包含了各种各样稀奇古怪的问题的回答。Randall的专业是物理学,在毕业后去了美国航天局(NASA)做机器人方面的工作。后来离开NASA做全职画漫画,致力于回答网友的各种科学问题。

本文选自《what if》中的一则问题,趣味十足,从中我们可以瞥见Randall清奇的画风,幽默的文字。一本正经地回答各种古怪的问题本身就很有意思。当然,最重要的还是它的知识性。

Q:如果地球半径现在开始以每秒1cm的速度扩张,要花多久才能意识到他们自己变重了?(假设岩石的平均构成不变)

A:地球目前并没有扩张。

一直有人主张说地球也许在扩张。20世纪60年代,地质学家们发现洋中脊不断向两边延展,板块漂移学说终于被证实。但在此之前,人们就已经发现了不同大陆的海岸线能够相互吻合。于是人们想出了许多解释的方法,其中一个认为:地球本身是一个十分光滑的球体,而洋盆则是地球不断扩张产生的裂缝。该理论从未变得流行,但它的身影也时不时出现在人们视野之中。

尽管地球并没有扩张,但我们可以想象下地球半径以每秒 1cm 的速度增长的情形,同时假设地壳到地核所有物质均匀扩张,所有人类建筑保持原样。

1秒后

当地球刚开始扩张时,你可能会感觉到一些颤动,甚至暂时失去平衡,你可能以为是地震。不过别担心,这只会持续很短一段时间。因为你是以每秒1厘米的速度匀速上升,没有任何次产生的加速度。在这一天剩下的时间里,你什么也不会注意到。

假如地球每秒扩张1厘米

1天后

一天后,地球已经变胖了 864m,当然对于半径 6371km 的地球只是小数目。

假如地球每秒扩张1厘米

重力增长得非常缓慢。平时你的体重是70kg(这里讲的不是质量),那么第一天结束时你体重将是70.01kg。

那么道路和桥梁呢?总有一天他们会断裂吧?

是的,但是没有你想象中的快。曾经有这样一个谜题:

想象一下,你在地球表面仅仅绕了一圈绳子。

假如地球每秒扩张1厘米

假设你想把绳子抬离地面一米。

假如地球每秒扩张1厘米

那么你需要加长多少的绳子?

虽然看上去你需要加长几十千米长的绳子,但正确答案是6.28米。圆的周长正比于半径,所以,半径增大1米,周长增大2π米

把一根 40000m 长的绳子拉长 6.28m 也没什么大不了的。即使扩张一天后,额外增长的 5.4km 对于任何建筑来说,都是可以轻松承受的。混凝土每天被拉长和压缩的量都比这长。

在最初感到一些震动后,你首先会注意到的一些效应就是你的GPS系统所依赖的精密的授时系统在几小时内就彻底被打乱了。要知道,GPS计时是极其精确的,这也是唯一一个迫使工程师同时考虑狭义和广义相对论效应的地方。

其他绝大部分的种会继续好好地运行下去。只是如果你家有个十分精确的单摆钟,那么你会发现一些端倪——在快到第二天的时候,你会发现这个钟快了3秒。

1个月后

一个月后,地球的直径增加了 26km(0.4%),质量增加了1.2%,地表重力增加了0.4%,因为地表重力与地球半径成正比

你可能会在称体重时发现一些异常,但也不是什么大问题。在不同的城市你的体重偏差也差不多如此。

虽然你可能还没注意到重力变大了,但你一定会发现有什么不对。一个月后,你会在混凝土结构上发现许多裂隙,一些高架桥会相继断裂。绝大多数的建筑不会倒塌,但那些地基深入基岩的房子可能就不可预料了,陆家嘴的高楼大厦的处境令人担忧。

此时此刻,国际空间站上的宇航员们要开始着急了。不仅是地面(以及大气)在朝他们扑来,不断增大的引力也在使空间站的高度降低。他们需要尽快撤离空间站。最多几个月,空间站就会脱离轨道坠毁。

假如地球每秒扩张1厘米

1年后

一年后,重力变强了5%。这时你应该会注意到体重增加了,你也绝对会注意到道路、桥梁、输电线、卫星、海底电缆相继出现了问题。而你家那台单摆比正常时间快了5天。

那么大气呢?

如果大气层不像陆地和海洋那样扩张,那么气压会开始下降。这是许多因素共同作用的结果:随着重力增加,空气变得更重。但是由于空气分散于一个更大的面积上,总体效果就是气压下降了。

另一方面:如果大气层也一起扩张,那么表层的气压也会随之上升。几年后,珠峰顶端将不再是“死亡区”。但反过来说,你的体重更重了,你还爬的上去吗?

5年后

五年后,重力增加25%。绝大多数的基础设施都已经坍塌,原因是它们脚下的土地在扩张,而不是重力变大了。令人惊奇的是,绝大多数摩天楼在重力显著变大的情况下仍然十分坚挺。对于它们来说,限制因素不是重量而是风。虽然,我可能不会再去乘电梯。

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10年后

十年后,重力增加了50%。如果大气不随之扩张,那么即使在海平面,空气也已经十分稀薄,几乎无法呼吸。如果大气一起扩张,人类也许还能多撑一会儿。

40年后

四十年后,地球表面的重力变成最初的3倍。此时此刻,即使是最强壮的人也只能勉强走路。呼吸变得艰难,树都倒了,稻子被自己的重量压得抬不起头。几乎每座山都可以见到巨型滑坡。

地质运动也会加剧。地球产生的大部分热来自地壳、地幔里放射性元素的衰变,而更多的物质意味着更多的热量。由于体积扩张的速度比表面积快,因此总体平均每平方米发出的热量会变多。

不过这些热量还不不足以使整个星球的温度升高(地球表面的温度主要取决与大气层和太阳),但更多的热会导致更多的火山爆发、地震,以及更快的地壳活动。这和几十亿年前相似,那时的地球具有更多的放射性物质,所以地幔温度更高。

假如地球每秒扩张1厘米

更加活跃的板块构造对生命来说可能有些好处。板块构造对稳定地球的气候起着关键作用,比如保持地球比较稳定的碳循环。而比地球小的那些星球(比如火星,直径约为地球的一半)内部没有足够多的热来维持地质活动。更大的星球意味着更多的地质活动,这也是为什么一些科学家认为生命在比地球稍大一些的星球(所谓的“超级地球”)会活的更好。

100年后

一百年后,我们将感受到6倍重力。我们不仅没法四处走动寻找食物,就连心脏都无力把血液泵到大脑中去。只有一些小昆虫(和海洋生物)还有可能四处活动。也许人类可以在专门设计的控压屋里生存,要移动的话也要把大部分身体浸没在水里。

在这种条件下呼吸是十分困难的。由于水的压迫,你很难吸入空气,这也是为什么换气管只在浅水里才有用。

假如地球每秒扩张1厘米

出了控压舱,你还是无法呼吸,不过原因和之前的不一样。在约6倍大气压下,即使普通的空气也变得有毒起来。即使我们能够克服其他所有困难,100年后我们还是会死于空气中毒。除去毒性不说,呼吸致密的空气也非常困难,因为它太重了。

黑洞?

什么时候地球会变成一个黑洞?

这个问题很难回答,因为问题中虽说半径一直变大,但密度一直不变——而形成黑洞,我们需要更大的密度。

在未来的某一时刻,不停扩张的地球总会有一天变成这样的状况:每增加一点质量,它都会缩小而不是变大。自那以后,他会不断坍缩,直到变成一颗白矮星或者中子星。如果质量还不停增加,它最终会变成一个黑洞。

但那要等到天荒地老…

假如地球每秒扩张1厘米

300年后

我们活不到这一天真是遗憾,因为此时会发生一件非常壮观的事情。

随着地球不断变大,月亮会像那些卫星一样轨道高度越转越低。几个世纪以后,终有一天地球与月球的引潮力会超过月球聚拢自身的引力。

当那个界限(洛希极限)被跨越后,月亮会被撕裂,而在短时间内地球会拥有一个美丽的光环。

假如地球每秒扩张1厘米

参考资料:

what if: serious scientific answers to absurd hypothetical questions ,Randall Munroe

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