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地球擴張 EXPANDING EARTH

Q.如果地球半徑現在開始以每秒1厘米的速度擴大,要花多久人們才能意識到他們自己變重了?(假設岩石的平均構成不變。)

——丹尼斯·奧唐奈


A.地球目前並不在擴張。

一直有人主張說地球也許在擴張。在20世紀60年代1板塊漂移學說被證實之前,人們就已經發現了不同大陸的海岸線能夠互相吻合。於是人們想出很多個解釋方法,其中有一個認為,地球本是一個十分光滑圓整的球,而海洋盆地則是地球不斷擴張產生的裂縫。這個理論從未變得十分流行2,但它的身影不時在YouTube上出現。

為了避免出現大地裂痕,我們不妨假設地球上從地殼到地核的所有物質都會均勻擴張。為了不讓之前發生的「搾乾海洋」慘劇再度發生,我們假定海洋也會擴張。3所有人類建築都會保持原樣。

1秒後

當地球剛開始擴張時,你可能會感覺到一些顫動,甚至會暫時失去平衡。不過別擔心,這只會持續很短一段時間。因為你是以每秒1厘米的速度勻速上升,你不會感受到任何由此產生的加速度。在這一天剩下的時間裡,你什麼也不會注意到。

1天後

1天後,地球已經變胖了864米。

重力增長得非常慢。如果你在擴張伊始是70千克,那麼第一天結束時你將是70.01千克。

那麼道路和橋樑呢?總有一天它們會斷裂,對吧?

是的,但沒有你想像中那麼快。我曾經聽說過這麼一個謎題:

想像一下,你在地球表面緊緊繞了一圈繩子。

假設你想把繩子抬離地面一米。

那麼你需要加多長的繩子?

雖然看上去你需要加上幾十千米長的繩子,但正確答案是6.28米。圓的周長正比於半徑,因而直徑增加一單位,周長就增加2π單位。

把一根4萬千米長的繩子拉長6.28米沒什麼大不了的。即使是擴張一天後,額外增長的5.4千米對於幾乎任何建築物來說,都是可以輕鬆承受的。混凝土每天被拉長和壓縮的量都比這長。

在最初感到一些震動後,你首先會注意到的一些效應就是你的GPS設備不再正常工作了。因為GPS衛星基本還是待在原來的軌道上,但GPS系統所依賴的精密的授時系統在幾個小時內就徹底被打亂了。在所有工程學問題中,GPS計時是極其精確的,這也是唯一一個迫使工程師同時考慮狹義和廣義相對論效應的地方。

其他絕大部分的鍾都會繼續好好地運行下去。只是如果你家有個十分準確的單擺鐘,那麼你會發現一些端倪——在快到第二天的時候,你會發現這個鐘快了3秒。

1個月後

1個月後,地球的直徑增加了26千米——增長了0.4%——它的質量增加了1.2%。而地表的重力也只是增加了0.4%,而不是1.2%,因為地表的重力與地球半徑成正比。4

你可能會在稱體重時發現一些異常,但也不是什麼大問題。在不同的城市你的體重偏差的量差不多也是這麼多。如果你買的是電子秤的話你最好記住這一點。如果你家的秤精確到小數點後兩位,那麼你就需要用一個測試砝碼來校準它——不過秤的生產廠家那裡的重力和你家的重力一般是不同的。

雖然直到此時你可能還沒注意到重力變大了,但你一定會發現地球在擴張。1個月後,你會在長混凝土結構上發現許多裂縫,一些高架橋和舊的大橋會相繼斷裂。絕大多數建築不會倒塌,但那些地基深入基巖的房子的處境就有些不可預料了。5

此時此刻,國際空間站上的宇航員們要開始著急了。不僅是地面(以及大氣)在朝他們撲來,不斷增大的引力也在使空間站的軌道高度不斷下降。他們需要盡快撤離空間站。最多幾個月時間,空間站就會脫離軌道墜毀。

1年後

1年後,重力變強了5%。這時你應該會注意到體重增加了,你也絕對會注意到道路、橋樑、輸電線、衛星、海底電纜相繼出了問題。而你家的那台單擺鐘比正常時間快了5天。

那麼大氣層呢?

如果大氣層不像陸地和海洋那樣擴張,那麼氣壓會開始下降。這是許多因素共同作用的結果:隨著重力增加,空氣也變得更重。但由於空氣分散於一個更大的面積上,總體效果就是氣壓下降了。

另一方面,如果大氣層也一起擴張,那麼表層的氣壓也會隨之上升。幾年後,珠峰頂端將不再是「死亡區」。但反過來說,你的體重增加了,山也更高了——於是爬山就更累了。

5年後

5年後,重力增加了25%。如果你在擴張開始時有70千克,那麼現在你就有88千克了。

絕大多數的基礎設施都已經塌了,原因是它們腳底下的土地在擴張,而不是重力變大了。令人驚奇的是,絕大多數摩天大樓在重力顯著變大的情況下仍然十分堅挺。6對它們而言,限制因素不是重量,而是風。

10年後

10年後,重力增加了50%。如果大氣不隨著擴張,那麼即使在海平面,空氣也已經稀薄到了無法呼吸的程度。如果大氣一起擴張的話,我們還能再撐一會兒。

40年後

40年後,地球的重力變成了最初的3倍。7此時此刻,即使是最強壯的人也只能勉強才能走路。呼吸也變得很艱難,樹都倒了,糧食被自己的重量壓得抬不起頭。幾乎每座山的山坡都可以見到巨型滑坡,因為此時的靜止角比以往要更小。

地質運動也會加劇。地球產生的大部分熱來自於位於地殼和地幔之間的放射性物質的衰變放熱,8而更多的物質意味著更多的熱。由於體積擴張的速度比表面積快,因此總體平均每平方米發出的熱量就會變多。

不過這些還不足以使這顆星球溫度大幅升高——地球的表面溫度主要取決於大氣層和太陽——但更多的熱會導致更多火山爆發、地震,以及更快的地殼運動。這和幾十億年前的地球相似,那時地球具有更多的放射性物質,所以地幔溫度會更高。

更加活躍的板塊構造對生命來說可能有些好處。板塊構造對穩定地球的氣候起著關鍵作用,而比地球小的那些星球(比如火星)內部沒有足夠多的熱來維持長期的地質運動。更大的星球意味著更多的地質運動,這也是為什麼一些科學家認為生命在比地球稍大一些的星球(所謂的「超級地球」)會比和地球差不多大的星球上活得更好一些。

100年後

100年後,我們將感受到6倍重力。我們不僅沒法四處走動尋找食物,就連心臟都無力把血液泵到大腦中去。只有一些小昆蟲(和海洋生物)還有可能四處活動。也許人類可以在專門設計的控壓屋裡生存,要移動的話也要先把大部分身體浸在水裡。

在這種條件下呼吸是十分困難的。由於水的壓迫,你很難吸入空氣,這也是為什麼呼吸管只在淺水裡才有用。

出了控壓屋,你還是無法呼吸空氣,不過原因和之前的不一樣。在約6倍大氣壓下,即使是普通的空氣也變得有毒起來。即使我們能夠克服其他所有困難,100年後我們還是會死於空氣中毒。除去毒性不說,呼吸緻密的空氣也非常困難,因為它太重了。

黑洞?

什麼時候地球會最終變成一個黑洞?

這個問題很難回答,因為問題中說雖然半徑一直在變大,但密度一直不變——而在黑洞中,密度會增加。

很少有人會去研究那些超大型的岩石行星的動力學,因為它們很難形成:任何這麼大的東西在形成過程中都足以吸引大量的氫和氦,從而變成一顆氣態巨行星。

在未來的某一刻,不停擴張的地球總有一天會變成這樣的狀況:每增加一點質量,它都會縮小而不是變大。自那以後,它會不斷坍縮,直到變成一顆白矮星或者中子星——如果質量還是不停增加,它最終會變成一個黑洞。

但那要等好久……

300年後

我們人類活不到這一天真是遺憾,因為此時會發生一件非常讚的事情。

隨著地球不斷變大,月亮會像那些衛星一樣軌道高度越轉越低。幾個世紀後,終有一天地球與月球之間的引潮力會超過月球聚攏自身的引力。

當那個界限——叫作洛希極限——被跨越後,月亮會被撕裂9,而在短時間內地球會擁有一個美麗的光環。

如果你喜歡它,就應該把一個物體移動到它的洛希半徑內。10

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1.板塊構造學說的確鑿證據是海床在不斷延展。海床延展和地磁極倒轉兩者能夠很好地互相印證,這是我最喜歡的科學發現管用的例子之一。

2.事實證明這理論挺蠢的。

3.實際上海洋確實在擴張,因為海水在變暖,而這也是(目前)全球變暖導致海平面上升的主要原因。

4.質量正比於半徑的三次方,而重力正比於質量乘以半徑平方的倒數,所以半徑的三次方除以半徑的平方等於半徑。

5.造摩天大樓要的不就是這個嘛。

6.雖然我可不敢再去乘電梯了。

7.幾十年後地球重力增加的速度會比你所期望的略快一些。因為不斷增加的重量會壓迫地球自身,地球內部的壓強粗略正比於表面積的平方,因而地核會被壓得十分緊密。https://cseligman.c../Text1/planets/internalpressure.htm

8.雖然一些放射性物質(比如鈾)很重,但它們會被從地球內部擠出來,因為在那種深度下它們沒法和岩石晶格很好地混合,具體內容參見這一章節(https://igppweb.ucsd.edu/~guy/sio103/chap3.pdf)以及這篇文章(https://world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Uranium-Resources/The-Cosmic-Origins-of-Uranium/.UlxuGmRDJf4)。

9.對不起啦,月亮!

10.註:碧昂斯的著名歌曲「single ladies」有一句歌詞:If you like it then you shoulda put a ring on it.(如果你喜歡它,就應該給它戴個戒指。)