如果宇宙中有了人類可以生存的氣體,宇宙會變成什麼樣?


看起來好像有很多好處,比如晚上也有藍天白雲,我們可以在月球上散步,甚至可以開著飛機漫遊太陽系(如果燃料足夠)。但實際上,這絕不是什麼好事情。

不用考慮整個宇宙充滿空氣這樣龐大的構想,我們先來看一個小規模的實驗:讓太陽系內瞬間充滿空氣。這些空氣和地球上海平面大氣層的空氣組成和密度一樣:密度1.23kg/m3,包含21%氧氣,78%氮氣,1%氬氣,二氧化碳,水蒸氣和其他氣體。太陽系內範圍限定為柯伊伯帶的最外層,距離太陽100天文單位。

首先,地球上的人將會發現,日月星辰全部都消失了,天空變得一團漆黑。地球大氣層會吸收部分太陽光輻射能量。從下圖可以看出,大氣層對可見光部分吸收較少,不到10%,但是,1.5億公里厚的空氣把太陽輻射能量吸收得乾乾淨淨應該是綽綽有餘的。

圖片來自Absorption band

不過,人們沒有時間去考慮這是怎麼回事,因為他們的末日已經到了。地球的引力會在自己周圍聚集大量的空氣。離地球越近,氣壓越大。在地面,巨大的壓力足夠把底層的空氣變成超臨界流體。超臨界流體同時具有液體和氣體的部分特性,這種形態往往出現在氣體巨行星(如木星和土星)的內部。當然,這個時候,地球上已經連一隻活的跳蚤都找不到了。在超臨界流體海洋表面逐漸過渡成為氣態並且氣壓極高的大氣層。

如果有足夠長的時間,地球能吸附足夠多的空氣,地表上超臨界流體海洋越來越深,海洋上空覆蓋在壓力極大的大氣層,而原來的岩石行星成為了這顆新行星的核。這樣,地球就會變成一顆木星那樣的氣體巨行星。如果還能吸附到更多的空氣,地球甚至能變成一顆恆星。不過,它沒有這麼多時間,因為它的末日也到了。

地球圍繞太陽公轉的速度大約是29800米/秒,也就是以88倍音速在空氣中飛行。在計算地球的命運之前, 我們可以先參考2013年在俄羅斯爆炸的那顆隕石。它的速度15-18公里/秒,只有地球速度的一半,但是它還沒有進入空氣密度最大的對流層,在平流層就爆炸了。你大概可以想像到地球的下場了。

我們來看看地球受到的空氣阻力有多大。

空氣阻力計算公式:

其中C是空氣阻力係數,如果把地球看成光滑球體,C=1/2(實際上地球比較粗糙,阻力係數會大一些)。ρ是空氣密度,S是地球橫截面積,V是地球速度。可以算出,空氣阻力是3.48 x 10^22牛頓。這個阻力和地球-太陽引力(3.510 x 10^22牛頓)大致相等。可以想像,它會讓地球慢慢剎車

隨著地球的速度下降,空氣阻力也會隨之降低。但是,隨著速度降低,地球將會向低軌道遷移。減少的引力勢能轉變為動能,彌補速度的損失,同時也維持巨大的空氣阻力。而這個過程中所有損失的動能和勢能都將轉變為熱能,被地球和空氣吸收。這些能量將會對地球造成巨大的破壞。

地球在當前軌道上的動能是

地球依靠引力把自己聚集在一起,如果提供足夠的能量克服引力,地球就會分崩離析。為了達到這個目的,我們需要提供的最小能量是地球的引力結合能(多大的外力影響下地球會爆炸? - Mandelbrot 的回答)。

地球的引力結合能可以用下面的公式計算

其中G是萬有引力常數,M是地球質量,R是地球半徑。代入數據可以算出,地球的引力結合能是2.24 x 10^32焦,只是地球動能的十分之一。不用計算地球的引力勢能,只是地球損失的動能就足以炸碎地球很多次了

不過地球不會等到存夠了能量才爆炸。如上圖,空氣阻力是作用在地球運動正面的,巨大的熱量也同樣聚集在正面。在自轉停止以前,地球像一個自動燒烤架一樣讓自己均勻受熱,但是低緯度地球接受的熱量遠遠大於高緯度地區。受熱不均導致連續的爆炸,把大大小小的碎塊拋進太空。同時,正面的空氣阻力會讓地球變形。最終,整個地球轟然爆炸,變成幾個巨大的碎片。隨後,所有的殘骸排成一列,沿著一條螺旋線向太陽墜落。沿途,碎片繼續爆炸成更小的碎片。沸點較低的物質會在高溫下揮發成氣體,所以向太陽進軍的隊伍變得越來越稀疏。如果還有一些碎片能夠最終到達太陽,它們可能只是一些細小的塵埃。

其他的大小行星都面臨相同的結局,整個太陽系彷彿進行了一場盛大的行星焰火晚會。不過,看完煙火後別忙著退場,下面我們來看看太陽的命運。

現在,太陽系就是一個半徑100天文單位的空氣球,中間一個孤零零的太陽還在燃燒。太陽的巨大引力迅速把自己身邊的空氣吸進去。遠處的空氣會運動過來,保持一個穩定的吸積速度。慢慢的,太陽就會在自己的外層產生一個由氧和氮組成的外殼。由於內部核聚變產生巨大的向外壓力,氧和氮無法進入內核。隨著太陽質量增加,由自身引力造成的向內的壓力也會隨之增加。到了打破平衡的時刻,氧和氮就會衝進太陽核心。

如果這時太陽質量足夠大(比如,超過原來質量的8倍),它內核的溫度就會讓氧和氮進行核聚變,結果是產生大量的硅,同時讓內核溫度繼續上升。短短几個月之後,更高的溫度讓硅繼續進行聚變,變成鐵。然而這一步只會持續一天,太陽的生命就走到了盡頭。鐵在開始聚變的時候,不再釋放能量,相反,這個過程會吸收能量。失去了核聚變釋放能量的支持,現在沒有什麼力量可以阻擋太陽自身引力了。整個太陽向中心高速崩塌,同時在中心形成一個黑洞。外層收縮到內核的時候,產生巨大的衝擊波,並釋放出大量的中微子。太陽爆炸了,成了一顆超新星。

圖片來自Supernova Research at Universities

這應該是有史以來最鬱悶的超新星。四周無邊無際的空氣很快吸收掉了它爆炸的能量,它的光甚至不能射出太陽系。

隨著時間的流逝,黑洞質量持續增長。而充滿太陽系的空氣球會逐漸變成一個扁平的星雲盤。靠近中心的地區會形成一個吸積盤,讓黑洞的質量有條不紊的增長。由於物質十分密集,所以在這個過程中很可能會形成大量短命的氮氧恆星、超新星和黑洞。這時候,太陽系內十分熱鬧。不過,這已經是最後的輝煌了。

最後,所有物質都會落入中心的黑洞。我們來看看這個黑洞的質量有多大。

它是太陽質量(1.989 x 10^30公斤)的87億倍,銀河系中心黑洞(410萬倍太陽質量)的2100倍,是仙女座星系中心黑洞(1.1 - 2.3億倍太陽質量)的38到79倍。它的視界半徑是178個天文單位。

這是一個有趣的現象。也許你還記得我們的空氣球最初的半徑是100個天文單位。在那時候,它就已經在自己的視界半徑以內了。也就是說,那個空氣球本身就是一個超級黑洞。這並不奇怪。從史瓦西半徑的計算公式

可以看出,視界半徑和黑洞質量成正比,而物體本身的半徑(假設為球形)與它的質量的立方根成正比。視界半徑增長比物體本身半徑快。如果物體的質量足夠大,視界半徑就會超過物體的半徑。對於外界來說,它已經是一個黑洞了。而它的內部,卻需要經過上面描述的過程,慢慢變成真正的黑洞。銀河系內部多了一個超級黑洞,比原來的銀心黑洞還要大2100倍,這勢必對整個星系的形狀產生影響。我們的超級黑洞將會成為新的星系中心,原來的銀心黑洞可能會圍繞它公轉,或者最終與它合併,就像一滴水掉進水缸,只會泛起輕輕的漣漪。


引力可以直接把宇宙壓塌,碾碎一切結構


別想了。
小範圍的來說,地球不會產生,會吸引越來越多的氣體變為恆星,巨行星,超新星。
然後duang~超新星大爆炸~
宏觀的來講,那樣宇宙的總質量就會遠遠的大於我們現在的宇宙,然後導致宇宙由現在的膨脹狀態轉化為收縮狀態。
然後duang~的來個宇宙大爆炸。
一切洗牌重來。
不過題主的意思好像是忽略物理規律,直接給現有的體系加上空氣的文學創作?
對不起,吾等理工狗想像不出這種不可能存在的情況π_π


假設地球公轉半徑內突然充滿了密度為1.29kg/m^3的氣體球,那麼氣體球的質量為
m = 
ho frac{4}{3} pi r^3
=1.809	imes10^{34}  	ext{kg}
這個質量比太陽質量大了4個數量級,於是地球會一頭栽向太陽。(當然開始栽了以後軌道比較難算,就先這樣吧)


你可以這樣提:如果人類不需要呼吸就能生存


星際流量套餐月底清零。


以人類可以生存的氣體的密度,劃個不用特別大的宇宙區域(額,其實吧,我的意思是跟恆星際距離比起來很微小,但是放太陽系裡還是蠻大的),稍微算一下史瓦西半徑就知道,會變成黑洞

來我們來玩玩
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%B2%E7%93%A6%E8%A5%BF%E5%8D%8A%E5%BE%91
r=2GM/c^2
M=ρV
V=(4/3)πr^3
代入,化簡
r=c*sqrt[3/(8Gρπ)]
來,c=3*10^8
G=(2/3)*10^(-10)
ρ=1.29
π=3.14
解得
r=1.118*10^(13)單位是米。
一光年接近10^(16)米。這個距離也就是千分之一光年多一點兒。
1天文單位是1.5*10^11米。
這個r還不到100天文單位,比冥王星軌道大不了太多。


空氣會因引力而變成星球,又變成現在這個樣子


如果題主和我一樣是文盲,想必頭腦中也有類似幻想


恆星不就是由於氣體太多,在引力作用下,從而發光發熱的么。
宇宙中充滿氣體,人早就掛了。


給你看個視頻,講的是用遙控車點燃氫氣球的。
我點到為止。
http://m.v.qq.com/cover/t/t9hrw63njn0vx8i.html?ptag=m.baidu.com%23v.play.adaptor%232mreferrer=http%3A%2F%2Fm.baidu.com%2Fs%3Ffrom%3D2001a%26bd_page_type%3D1%26word%3D%25E6%25B0%25A2%25E6%25B0%2594%25E7%2590%2583%25E7%2588%2586%25E7%2582%25B8%25E6%2585%25A2%25E9%2595%259C%25E5%25A4%25B4


高票答案看了兩頁忍不住了。生命之柱星雲平均密度應該遠低於地球大氣層,哪裡成為了恆星故鄉!以上…自己可以慢慢想了,你想要個多大的太陽?


定義不明確。


我覺得題主好像是本著浪漫主義精神提出的問題,可答主們都是按照學科理論回答的。


會爆炸(っ*′Д`)っ


所有行星最終都會一頭栽進恆星中

你可以下載universe 模擬一下


到處都是竄天猴


這個假設不成立,


據有物理常識的人說,會滿滿得都是恆星和超新星大爆炸以及黑洞形成。也就不會有一般意義上的生物了。


可以用螺旋槳而不是噴氣發動機發射衛星了


你這是要上天啊!


毫無疑問啊,宇宙直接變成了一個超級黑洞了!腦洞要開的科學點


宇宙會變成一個黑洞


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