地球流浪需消耗多少物質?用掉一半大海和地殼都不夠
2019年02月12日09:07

  地球“流浪”需消耗多少物質?用掉一半大海和地殼都不夠

  許鵬 來源:澎湃新聞

  科幻電影來源於想像加上一定的科學常識和推理。好的科幻一般需要在科學事實和幻想中找到一個好的平衡點。如果嚴重脫離科學基本規律,那就是魔幻小說了。如果只是冰冷的科學事實,沒有藝術的想像和加工,變成記錄片,也會索然無味。

  我個人的感受是一般讀者能夠接受1-2個大的突破科學常識的假設和幻想。如果違背科學基本原理的場面實在太多了,特別是在毫無必要的地方違反基本常識,就是爛片一部。 《流浪地球》拍攝場面宏偉,可是實在不敢恭維科學顧問的水平。為了拚湊劇情和突出推力發動機的視覺效果,突破生活常識和科學常識的地方實在太多了。恐怕還會讓中小學生接受錯誤的物理知識。讓人不吐不快。

  首先是地球必須要脫離太陽系的假設。 記得原著里是預測太陽要發生氦閃,地球要被吞沒。 氦閃當然是作者編出來的。但是這個假設讀者一般可以接受。這個比電影里莫名其妙的一句“太陽在膨脹”要顯得靠譜多了。 就像很多科幻小說假設擁有一個時光機,一個大腦閱讀器,通過黑洞穿越未來一樣。大家可以接受這樣的一個假設。但是接受不了因為粗心大意,或者沒動腦子,或者對毫無必要地對基本物理常識的違背。

  就像武俠小說裡面的武功,人人都知道是假的,但是不耽誤大家欣賞劇情。可是要是金庸寫的降龍十八掌一巴掌把對手打到月亮上,估計這樣的武俠小說誰也不要看了。科幻小說也一樣,有讀者可以接受的藝術誇張的限度, 特別是所謂的“硬”科幻小說。

  再說一些細小的吐槽點。

  1)電影里無數的雪景。 地球已經是零下80度了。被推到接近木星的位置, 地球所有的江河湖海早就都被凍住了,大氣中哪裡來的水份, 怎麼可能還會下大雪?冰在零下80度昇華的速度是那樣的緩慢,不可能形成大雪。

  2)再說人工地下城和離子發動機。 地球這麼大,好好的地下城你在搖搖欲墜,轟鳴不斷的發動機在下面幹什麼?違背常識。

  3) 電影快結束的時候,一瓶伏特加砸在監控攝像頭上,然後就能燒燬空間站。 且不說空間站,導演明天可以先一鎯頭砸一下自己家的電視機,然後把一瓶白酒砸在上面,你看看會不會著火。 當然那個監控攝像頭也很神奇,砸一下就刺啦刺啦地冒幾分鍾火星? 您到底是攝像頭還是焊槍?

  4)一群人為了運送一個神奇的“火石”喪命。 估計導演同誌是個菸民。看到發動機想到的就是什麼打火機,打火石。導演應該明白原始人用火石,後來人們發明了火柴,凝固汽油,電子打火。 很難想像到底是什麼原理,在未來高度文明,一個發動機需要一個大石頭才能點燃。 當然更神奇的是, 這個石頭被手槍打了幾下就神奇地報廢了。 石頭啊石頭,你到底是個啥? 是打火機上的打火石,還是是個人造大芯片?

  5)偉大的上海城被地球停止自轉的海嘯淹沒。 然後溫度急劇降低,被凍在冰河裡。 當然了冰河似乎有變成了峽穀,峽穀里又有了很多紛紛落下的石頭。 真心想請教一些導演,這是怎樣的一個物理變化。 當然這不是最神奇的,最神奇的,這些曾經的上海的高樓大廈在經曆海嘯和速凍之後,電梯井裡沒有水沒有冰。是一個完整的空井? 難道從東方明珠到上海中心,用的都是傳說中的防水電梯?

  6)用發動機停止地球自轉,應該是個緩慢的受控過程。受控過程不應該發生海嘯,即使發生海嘯也應該有預案。好好的怎麼就變成姥爺拯救落水孤兒了?

  7)劉男主(爸爸)所在的宇宙飛船是通過旋轉來形成重力場的。旋轉停止,重力場會消失,人就會浮起來。 這點電影基本正確。可惜導演忘了動量守恒了。 如果要讓宇宙飛船的一部分停止旋轉,另外一部分就必須反向飛轉才行。在太空中沒有大地,旋轉是不可能通過刹車片能停下來的。

  8)地球赤道長4萬公里。北京緯度接近40度。也就是說北京到赤道的直線距離將近4400公理。 一個還是橡膠輪胎的重卡車在冰雪交加的野地,零下80度的低溫,途經上海杭州,十幾個小時就可以跑完在整個行程。這讓人難以接受。如果人類轉入地下生活的話,更有效的交通工具應該是地下的隧道。

  9)木星是太陽系行星中自轉最快的一個了。差不多10個小時轉一圈。 可是電影里幾乎所有的木星鏡頭都是大紅斑,早也是大紅斑,晚也是大紅斑。大紅斑正對著飛船,大紅斑正對著地球上的觀測者。大紅斑啊大紅斑,你可知道,地球上有個導演有多麼愛你。

  重核離子發動機也是電影的大戲。據說反反複複做了很多次模型。可能是導演太愛自己做出來的模型了。很多戲都圍繞著發動機的場面。重核發動機到底是啥原理咱們搞不清。反正是燒石頭轉化成離子推力。 觀眾忍了。 像我一開始說的那樣,大家是可以忍受一兩個極端的假設的。 可是都是未來科技高度發達了,怎麼還會荒謬到開卡車拉石頭? 這些事應該是機器人更加靠譜一點。或者直接用傳送帶運送石頭。

  地球停止自轉完全沒有必要。 發動機可以按照地球軸線的方向上佈置。 這樣地球可以保持自轉,同時沿著軸線方向前進。地球保持自轉很重要,不然朝向太陽的那面很快就被烤糊了。 另外地球停止自轉了,地球的磁場保護就會消失。地球表面的宇宙射線會讓任何生命幾分鍾就死亡。 你可能說地球太陽系是平的,地球需要沿著水平方向才能到達木星軌道,脫離太陽系。 不過既然發動機的力量最終都可以把地球加速到千分之五的光速。讓地球慢慢地轉90度改變一下運動方向也不是什麼問題。 地球最終也是要改變運動方向的,因為人馬座並不在正正好好太陽系的平面方向上。

  如果再深究一下,地球不可能是採用不改變軸線方向的方式離開太陽系的。因為地球的自轉赤道和太陽系的公轉黃道有夾角。簡稱黃赤交角。如果試圖在公轉平面上到達木星軌道的位置,就不可能按照地球赤道方向逃逸而去。黃赤交角23度。既然發動機能讓地球轉23度,幹嘛不轉67度,讓黃赤平面正好垂直,不就省的停止自轉了。

  最後說說地球借助木星引力脫離太陽系。 按理說這段是極其容易出戲的,可以用電影的手法表現得驚心動魄。可惜《流浪地球》電影在這個環節上錯得莫名其妙。

  電影里莫名奇妙地來了個木星引力波動。星體的引力極其穩定,億萬年都沒有什麼變化,無論是太陽的引力,還是地球的,還是月亮的。根據萬有引力定律,引力只是跟質量和空間距離有關。木星有四大衛星和六十多個小衛星,億萬年來木星引力要是不穩定,這些衛星早己墜入了。 木星引力你波動個啥。好端端早不波動,晚不波動, 億萬年你都不動, 偏偏等到地球快來得時候,春心難耐,小心臟就啪啪亂動,一下子引力波動了9%。木星啊木星,你這樣對得起圍著你鞍前馬後轉了幾十億年的那六十多顆月亮妹妹麼?

  再說說點燃木星這段。 這段以色列的科學家說的很對。完全不靠譜,成功率是0。為什麼呢?木星90%的氫組成的。木星的總質量是地球總質量的318倍。 地球的大氣中氧氣的總質量是1.4X10^18 kg,木星的質量是1.9X10^27kg。也就是說,即使地球上大氣層中所有的氧氣都被木星掠去,那麼木星中氧氣的濃度也只有十億分之一左右, 遠遠低於閃點。 這個濃度相當於多少呢? 正常人放一個屁的氣體質量是0.0371克,用這個數字乘上十億倍就是3.7*10^7kg。如果是大氣體積就是三千萬萬立方米的空氣。差不多是上海黃浦區一個人這麼高的總空氣質量。如果你相信因為你在上海的黃浦區放了一個高濃度硫化氫的屁,同時有人劃燃火柴,就能把黃浦區都點燃炸掉,你就可以相信電影里的情節了。

  再說說木星掠奪地球大氣這段,地球大氣是不可能在地球撞擊到木星之前,提前被木星掠奪走的。就像你站在一塊隕石上,高速一起撞向地球,你是不可能因為被地球先吸走一樣。這個道理伽利略的兩個鐵球同時落地的實驗已經證明。 阿姆斯壯也在月亮上把鐵錘和羽毛一起落下。初中課本里對這個現象叫做重力加速度原理。在木星引力作用下,兩個不同密度的物體下落的加速度是一樣的。朝木星奔去的時候,地球上的每個物體都有相同的速度和加速度。地球上的大氣層也不例外。伽利略同誌要是看了這個電影估計能從墳墓裡氣死過來。不明白為什麼導演犯中學物理的常識錯誤。

  另外一方面地球也是有引力的,雖然地球引力比木星小300多倍,可是別忘了那個時候,地球的大氣層距離木星7萬多公里,距離地球只有幾公里。地球對大氣層的引力遠遠比木星引力大。 如果大氣層是小夥子,木星就是7萬公里萬的大眼睛女生。大眼睛女生再好看,小夥子也是無力推開懷裡的春姑。

  當然了如果你覺得為了藝術,老百姓不想深究那麼多,木星上是氫氣,地球大氣有氧氣,大過年的,這麼好的結合點來一個火柴多過癮。

  那就看看這個火柴有多不靠譜。 按照電影里說的,相撞之前,木星和地球的距離是7萬公里。7萬公里靠發動機的火焰是不可能夠到的。火焰這種現象只能在大氣層中存在。離開了大氣層你能看到的只是離子或者物質的流動。 另外火焰的速度通常在10-100米/秒這個數量級。 最快的火焰需要70萬秒,8天時間才能走完7萬公里的行程。

  人類曆史上最大的氫彈爆炸,蘑菇雲也沒有脫離到大氣層之外,因為大氣層之外不可能有蘑菇雲。火焰更不可能逃逸到大氣層之外。

  如果是等離子發動機,Plasma engine。等離子流是沒有火焰的,只是粒子束在電場的加速下反向噴射。所以離子的溫度一般和環境溫度沒有多少區別,在地球上,是常溫溫度300K左右。 在這個電影里,等離子流的溫度就是環境溫度,零下80度。氫氧最理想條件下的燃點溫度400攝氏度,遠非等離子流能夠點燃的。

  如果你真的相信木星可以被點燃的,其實根本不需要什麼火焰和宇宙飛船去撞擊木星。 木星和地球一樣,分分秒秒都有無數的流星劃過。那些流星在進入木星大氣的時候,都會高溫燃燒。可以說每分每秒都有火柴不停在點燃木星。根本不用劉男主去獻身。

  當然,為了藝術,我們也忍了。 但是實在不能忍的是導演認為這樣可以把地球炸出來,逃逸木星的引力。 可能導演忘了地球是什麼構成的。地球最表面是地殼, 這些是由輕薄的岩石構成。 內部大部分空間是液態物質,最最中心是鐵與鎳的固體硬核。 地球不是實心的一塊石頭。更形象的比喻是個雞蛋。 地殼非常的薄弱。你在雞蛋邊上發了一個炸彈,試圖用衝擊波,把雞蛋炸的遠遠的。結果可能不是雞蛋被炸遠了,而是把蛋殼打破了,當場炸得粉碎。事實上相對地球的質量,地球的大氣實在是太小,爆炸的總能量根本撼動不了地球。

  當然了,即使有巨大爆炸衝擊波永遠也不會到達雞蛋。 爆炸只所以會產生衝擊波,那是因為大氣的原因。 如果木星發生了氫氧燃燒和爆炸,衝擊波也永遠只會留在木星的大氣層里。在太空中的爆炸事件,除了光和輻射之外,什麼動力都不會產生。2009年木星曾經遭受過彗星撞擊事件, 又被稱為韋斯利撞擊事件。 哈勃望眼鏡有幸記錄了全部過程。撞擊之猛烈,能量之大,留下的疤痕和木星的大紅斑一樣大,和地球的直徑差不多。 即使這樣,也沒有看到任何衝擊波能夠逃逸木星的引力。 還是那句話,太空中是不會有衝擊波的,衝擊波只存在於大氣層中。

  最後總結一句我看到的一個影評人寫的話。 這個電影擁有宏大的場面,試圖描述人在災難面前的情感起伏。 唯一缺乏的就是common sense(編註:常識)。

  除了電影缺乏common sense, 下面是給號稱喜歡“硬核”科幻的腦補一道題目,中學畢業的應該都會做。

  如果把地球加速到0.05%的光速。根據動量守恒原理,你需要朝地球運動的反向噴射出至少0.05%的物質,即使你有本事把它們加到光速。 假設你有一台無限效率,無限牛叉的發動機,能夠把地球上的任何物質零代價地變成等離子體,然後再毫無代價地加速到光速,然後朝發動機的反向噴去。那麼你也需要把地球上0.05%質量的物質噴走,才能把地球加速到0.05%的光速。考慮到到達目的地星系的時候,需要同樣做減速動作,你需要再消耗地球上0.05%的物質做減速運動。不然這麼高的速度,人馬座恒星引力場捕捉不了。

  所以即使是理論上最最最牛的發動機,你也會消耗0.1%地球的總物質。這還不包括拐彎轉向和能量的消耗。地球上地殼總質量包括一切江河湖海高山大地的總質量,占地球總質量的0.3%。 地殼平均厚度17公里。電影里地下城深度是5公里,顯然導演同誌不知道很快連卡車帶地下城市都要喂給發動機。地球上大海和地殼的一半都被發動機噴光了也不夠。上次地球從岩漿狀態冷卻下來是冥古宙,用了10億年。除非人類能找到在熾熱的岩漿中生活的方法,否則地球還是老老實實待在太陽系吧。人類需要善待地球,因為哪裡也去不了。

  (本文作者是同濟大學機械與能源工程學院教授許鵬,作者原題為:電影《流浪地球》里的科學常識錯誤)

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