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為什麽【流浪地球 2】中,地球上全部的核武器能夠炸碎月球?誘發月球核融合又是怎麽回事?

2023-01-23科學

我們先來看看炸碎月球究竟需要多少能量?

在電影裏,之所以要炸月球,是因為月球即將落入洛希極限,然後撞擊地球,毀掉人類文明。

但從模擬圖,我們可以看出,要讓人類足夠的安全。

最合理的爆炸位置,是在月球內側且非正對地球的方向,爆炸後,給月球碎片施加一個向外的沖擊力。

月球爆炸時,太空人視角看到的地球是這樣的:

這也能看出,的確在偏月球內側的位置。

所以要讓地球足夠安全,除了要炸碎月球外,還需要月球碎片飛出地球重力範圍。如果只是單純的引爆,即便1/100的碎片掉落地球,也是73.5億億噸,相當於淪陷恐龍小行星品質的7萬多倍,同樣足以讓地球生命大滅絕N次,徹底摧毀地球文明。

最安全的做法是,炸碎且炸飛月球,讓月球碎片從地球軌域逃逸,飛入太陽軌域。

這個逃逸速度有多少,我們需要看看月球爆炸時,與地球的距離有多少。

電影裏,要在月球墜入洛希極限之前炸毀。

那麽地球對月亮的洛希極限在哪裏?

當一個天體進入中心天體的重力範圍,由於它各個部位與中心天體重心距離不同,所以會產生重力差,這便是潮汐力。月球重力導致的地球漲潮便是典型的潮汐力。

當潮汐力剛好能破壞天體結構的極限距離,便被稱為洛希極限。

洛希極限分成剛體洛希極限和流體洛希極限。

不同結構的衛星,洛希極限距離有所不同

當一個天體像剛體那樣,在重力下不會發生形變,那麽它的洛希極限就是剛體洛希極限。

符合公式:

d=R\left( 2\frac{\rho_{M}}{\rho_{m}} \right)^{1/3}\approx1.260R\left( \frac{\rho_{M}}{\rho_{m}} \right)^{1/3}

當一個天體像流體那樣,在重力下會發生形變,那麽它的洛希極限就是流體洛希極限。

符合公式:

d\approx2.44R\left( \frac{\rho_{M}}{\rho_{m}} \right)^{1/3}

兩個公式中, \rho_{M} 為中心天體密度, \rho_{m} 為衛星密度, R 為中心天體半徑。

月球和其它大多數衛星一樣,既不是剛體也不是流體,它的洛希極限在地球流體洛希極限和剛體洛希極限之間。

一個衛星穿過洛希極限,被潮汐力撕碎的過程

地球半徑為6378km,平均密度5513kg/m^3,月球平均密度為3346kg/m^3。

易得,月球的剛體洛希極限為:9492km,流體洛希極限為:18381km。

也即月球的洛希極限在 9492~18381km 之間。

如果取個平均值的話,真實洛希極限在14000km附近。

要墜落洛希極限之前逃離地球束縛,需要的速度最少為:

v=\sqrt{2GM/R}\approx7.56km/s

月球品質為7.342✕10^22 kg,可得,月球炸飛後獲得的總動能為:

E=\frac{1}{2}mv^2=2.098×10^{30} J

月球被炸碎,還有小部份能量提供給月球解體。

月球解體永遠不再聚合,對抗的是 重力結合能

對於一個密度均勻的天體來說,重力結合能滿足公式:

U=\frac{3}{5}GM^2/R

由於月球是小型天體,密度梯度較小,可以近似看做密度均勻來計算重力結合能。

那麽得到月球重力結合能為:

U\approx1.257×10^{29} J

可以看出,單純炸碎月球,其實需要消耗的能量,只是炸飛月球的零頭。

由於洛希極限距離過近,如果只是炸碎月球,而不炸飛月球的話,可能會存在大量的碎片墜入地球的可能。

那麽,把月球炸飛並且炸碎需要的總能量為:

E_{總}=E+U\approx2.224×10^{30} J

這個能量是極其龐大的,為了讓大家有個概念,做個類比:

太陽核聚的功率為3.9×10^26W,月球炸飛的龐大的能量,接近太陽核融合1.6個小時的總能量。相當於地球接受太陽照射40萬年的總能量。

哪怕按照小說和電影中的設定,人類都遠遠達不到這個能量功率。

所以電影中,人類是透過引爆月球融合,來制造如此龐大的能量,所用的能量為月球爆炸能量的10億分之一。

哪怕是10億分之一,就用了人類核彈的總儲備量。

1噸TNT,相當於4.184×10^9 J,月球核爆產生的總核當量為 5.3×10^20 噸TNT,也即8萬億億噸TNT。

可得,人類在電影中的核當量總量為: 5300億噸TNT。

在現實世界中,當前人類儲備的核當量已經大大減少,但冷戰時期一度超過200億噸。

在【流浪地球】小說中的人類,就已經邁過氫核融合,掌握了重核融合。那個時候的核當量儲備,是冷戰時期的20多倍,是十分合理的。

為什麽電影中能誘發月球核融合?

看了電影的人應該知道,流浪地球系列的電影,其實有著大量自己原創的內容。但無論怎麽原創,它的大框架是忠於原著的。

在原著中,流浪地球廣泛運用重核融合,例如推動地球的行星發動機。

月球核融合本身,其實就是重核融合。

重核融合其實需要的條件十分的苛刻:

要讓矽發生融合,已經需要達到30億℃的超高溫。

而溫度超過60億℃,足以引起超新星爆發。鐵核吸熱融合,生成更重的元素。

點燃氫彈比起掌握可控氫融合來說,明顯後者的難度遠遠高於前者。那麽點燃重核,比起可控重核融合,也會是後者的難度更高。

其實,哪怕現實中,CERN的大型強子對撞機,甚至短暫創造過10萬億℃的誇克湯。

按照小說的設定,人類既然能掌握可控的重核融合,引爆月球是可以自洽的。

月球核爆是一個怎樣的過程?

我們知道,月球內核和地球內核一樣,主要含鐵嗎,不過月球的內核其實占月球很小部份。

月球被點燃後,能量傳遞和融合行程,會類似於地震波一樣傳遞。

由於月球表面是更輕的元素,融合會更加的劇烈,然後一直往月核傳播。雖然鐵重核融合會吸收能量,但整個球體融合產生的龐大能量,足以點燃月核。

此時核爆的月球,相當於一個小型的超新星爆發,不過由於是從外部引爆的,所以爆炸方向會影響噴流方向。所以,引爆月球一定要在側面且靠近內側的位置。

電影裏設定的陣列核爆,不僅保證了大量核彈爆發威力的整理釋放,也保證了月球爆破的方向,保證主要的月球碎片遠離地球,而不是朝向地球。

在電影中,月球為什麽會「墜落」?

月球的「墜落」,可能和放逐方式有關。

我們可以看出,三個推動器的位置所組成的平面,正好和我們平行。

推動給月球的力,正好與地心重力的方向相反。

劉博洋提到:

通常航天器升軌采用霍曼轉移軌域,沿著航天器當前前進方向提供加速,而非沿垂直於速度方向提供加速。

其實垂直推進,這在電影中是合情合理的。

現實中航天器升軌,之所以采用霍曼轉移軌域,是因為這是最節能的。

在升軌的過程中,飛行器原本的軌域速度會逐漸降低,部份動能會逐漸轉化成勢能。

垂直軌域加速的話,飛行器的切向動能不變,勢能的增加完全由推進器提供,所以會消耗更多能源

為什麽在電影中是合理的?

因為在電影中,隨著氦閃視窗期越來越近,人類本身就急著推走月球。

而在垂直軌域加速,的確會比霍曼轉移軌域遠離速度很快。

加上月球上有著豐富的氦-3,在逃命面前,也不必要用最節能的方式。

這種推進方式,為什麽可能是月球「墜落」的原因?

根據電影結尾的彩蛋,我們知道,月球危機本身就是人工智慧莫斯一手造成的。

兩個推進器先後爆炸,造成的月球「墜落」。

電影用「軌域擾動」一筆帶過,但其實我們可以進行更多的探討。

我們再來仔細看看三個推進器的位置。

如果第一個爆炸的推進器正好是月球切線速度方向,那麽月球的切線速度是可能有所降低的。

接下來的重點是,少了一個推進器後,月球就會發生旋轉。當一個推進器到了背面發生爆炸,那麽這個爆發產生的推動力,就和月球遠離的方向相反的。

也就是說,先後兩個推進器的爆發,一個降低了月球的公轉速度,一個給月球來了一個朝向地球的推力。

這樣,月球的墜落就有了合理性。

當然,這樣的兩個爆炸十分的巧合,但不要忘了,這都是莫斯的設計。

莫斯由人類第23代(550W)強人工智慧而來,透過精細控制三個推進器的能量功率是很容易的。另外,推進器爆炸是一次性釋放所有的能量,產生的龐大推力,是遠遠大於推進器工作時的推力。

對比後面炸掉月球的能量,炸掉推進器影響月球軌域改變的能量其實是微乎其微的。而且由於是莫斯的精心布局,也有可能它早就透過推進器調整過月球軌域和方向。

除了炸掉月球,還能不能有其它的方案?

不炸掉月球,能考慮的其實就是相對溫和地改變月球軌域,推走月球。

但由於推進器裏面,三個壞了兩個。且推進器與月球表面平行,不可能再啟用推進器推走月球。

人類也不可能短時間再修建推進器,唯一能做的就是利用核爆炸推走月球。

前面我們計算出,人類總核彈當量是8000億噸TNT。

即便最極限的認為所有的能量都會轉化為月球的動能(實際轉化很低),容易計算得到:

月球的速度變化僅僅只有1.5m/s。而月球原始公轉速度就有1023m/s,前者占後者的零頭都沒有。

也就是說,人類核武器產生的總能量,遠遠不足直接改變月球的軌域。

唯一能做的就是四兩撥千斤,引爆月球。

如何看待【流浪地球2】,以及科幻世界中的科與幻?

如果說【流浪地球1】給中國科幻重工業打了一個地基,那麽【流浪地球2】就好似在這個地基上拔地而起,轉眼間已是擎天高樓。

進入影院的不少人都有這樣的瞬間感受,3年間,中國科幻已經牛到這個地步了嗎?

很有一種不真切的震撼感受。

很慶幸郭帆導演聽取了王衛紅編劇的意見,沒有采用保守的方式,而是進行了大膽創新。不然我們絕不能看到這麽精彩的中國科幻電影。

科幻科幻,有科才有幻,我認為再硬核的科幻小說和電影,不僅需要科的嚴謹,也需要幻的精彩。

它們其實是互為補充,渾然一體的。

無論科幻題材經典的平行世界,時空穿梭,曲率引擎,還是大劉【三體】中的降維打擊,水滴,又或【宇宙塌縮】、【微觀盡頭】關於宇宙設定,【帶上她的眼睛】中困在地心的女孩,鄉村教師中超級星際文明,【微紀元】中的微型人類,【全頻帶阻塞幹擾】中墜入太陽的萬年炎帝號……

按照嚴謹的科學分析來說,以上絕大多數都很難實際成立。

如果沒有幻,整個科學世界將黯然失色。

科幻作品最重要的是世界觀內部的邏輯自洽。看一個劇情合不合理,需要看的是在它的世界觀內合不合理。其實,哪怕現實存在的,在小說世界觀中也不一定能合理存在。例如在【三體】小說中,世界嚴格遵守黑暗森林法則,如果大劉寫一個弱小文明,自爆座標還能天天蹦跶,那世界觀就崩了。

其實,無論是小說還是電影,都有著很多幾乎不怎麽講究科學性,大開腦洞的科學作品。如果這些作品在大多數人心中,值得8分的評價。那麽科和幻同樣優秀的【流浪地球2】,就值得中國科幻電影史截止當下的最高評價。

未來能超越【流浪地球2】的,我希望是流浪地球系列的最終篇。

至於【三體】,希望它能創造另外一個高峰。

如果可以,創造這個高峰的,我希望還是流浪地球團隊。