本文来自微信公众号:瞻云(ID:zhanyun2028),作者:瞻云,题图来自:《流浪地球》
太长不看版:
1. 为了让地球流浪的时间长度比较合理(2500年100代),大刘给地球设定的极速为0.5%光速。要达到这个速度的推力十分庞大,可引起全球性地震、火山。同时,会消耗30%的地球质量,产生的庞大热量会融化地球,化身数万度高温的微型深蓝恒星。
2. 考虑到过高推力大陆无法承受,大刘给的单个行星发动机推力为150亿吨,然而从时间上来说,这个推力太小了,地球足足飞行2万多年才能到达比邻星。同时它依旧会产生大量的热量,足以让地球化作小太阳,导致文明灭绝。
3. 为了让环境勉强还能符合人类生存,大刘对行星发动机周围温度设定为70℃。如果真的只有这个温度,那么行星发动机的推动力是严重不足的。地球足足需要流浪数亿年,才能到达比邻星。
4. 考虑到大陆被大量聚变喷射掉后,会影响人类生存,大刘设定的消耗量为亚洲大陆山脉的一半。但这其实远远不够,由于太阳引力的存在,地球要飞出太阳系,即便利用木星引力弹弓,也必须消耗掉所有海平面以上的陆地。
总之,速度过快地球毁灭,速度过慢逃不出太阳系。
但无论速度快还是慢,都必须牺牲掉所有陆地作为燃料。
详细计算和探讨过程
让地球达到0.5%光速,会带来什么?
在原著中,地球通过500年加速到光速的0.5%,滑行1300年,再用500年减速。
0.5%光速,也即1498962.29 米/秒。
当地球是匀加速时,加速度:a=v/t=9.5×10-5m/s2。
这个加速度看起来很小,毕竟人跑步的加速度都可以轻松达到1~2m/s。
然而地球质量高达5.965×1024kg。
行星发动机施加在地球上的推力至少可达到:F=ma=5.66675×1020N。相当于5亿亿多吨的推力。
而原著中地球发动机是这样的设定:
单个全功率运行时能向大地产生150亿吨的推力,总共1.2万个发动机。
也即,总推力为180万亿吨。
和实际需要的推力相差315倍。
速度要达到0.5%光速,一个行星发动机的推力就达到4.722×10^16N。
可以想象,动力如此大的行星发动机,可能对地质结构造成威胁。
随着行星发动机周围温度越来越高(超过600℃),岩石的性质和强度会迅速降低,从而无法承受庞大的压力。
而重核聚变的行星发动机核心温度达到30亿℃,1.2万座比太行山还大的动力系统,不说隔热系统,甚至连钢材都不够。没有隔热材料,释放的庞大热量足以熔融周边岩石,从而在发动机庞大推力下,造成沉陷。
通常来说8级别地震,就会带给人类巨大的灾难,可造成数万人的死亡,而8级地震释放的能量是 6.3×1016 J 。
一个行星发动机如果再推进时,仅仅沉降1.33m ,所做的功就相当于8级别地震。
然而全球存在1.2万个行星发动机,一起发动相当于1.2万个八级地震。
更何况,大型天体由于引力过于庞大,即便它们的固体成分也会呈现出流体静力学平衡的状态。
地壳之下,内核之外,本身充斥的就是半流体和流体结构。
图源:地球结构
行星发动机产生的地震波将会此起彼伏,在地球内部传递,从而对大陆板块造成致命的破坏。
图源:地球结构
板块间的地震带和火山都会开始大范围活动,很快开始威胁人类的存在。
大陆的总体量,真的足够支持地球加速到0.5%光速吗?
在原著中,发动机在500年的飞行中,会把亚洲大陆上一半的山脉用做燃料消耗掉。
亚洲大陆上一半的山脉有多重?
我们简单预估一下。整个亚洲大陆的山脉,主要集中在中国及周边,所有山脉加起来,预估和中国国土面积差不了太多。
山脉的平均高度预估4000m,山体体积按照椎体来计算。
图源:公开统计资料
平均密度按照2500kg/m3来算,那么亚洲大陆一半山脉的重量则是:m=ρV=1.6×1019kg。
大约相当于地球质量的40万分之一,地壳质量的1463分之一,对整个地球的影响的确不算很大。
由于重核聚变质量损失其实是很小比率(怎么也不超过1%),这里就忽略不计了。
按照0.5%光速的质量损失,和原文差异有多大?
我们详细来计算。被行星发动机推着走的地球,本质上相当于一个巨型的工质喷射火箭。
地球的终速度,满足火箭方程(齐奥尔科夫斯基公式):
公式转化,得到:
其中:
w 为火箭喷射速度,这里为地球发动机喷射速度。
m0 为火箭初始质量,在这里为地球质量。
mk 为火箭喷射后质量,这里为流浪后的地球质量。
从公式可以看出, v 不变时,如果工质喷速 w 越快,消耗的质量就会越少。
我们假设 w 为最大速度。
重核聚变的聚变物质,如果能聚变得比较彻底,大约会损失0.5%的质量。虽然火箭在太空中的燃料转化率可以达到60%,然而在地面却只有25%,考虑到行星发动机的综合缺点,预估为20%。可得,这些聚变物质可以达到的速度,w最大约为3%光速。
依据钱老所写的《星际航行概论》,氢聚变工质喷射最高速度为5%光速来看,重核聚变达到3%光速极限,也是合理的。
把地球速度和工质喷射速度代入公式,得:
得到地球损失的质量:
也即,地球损失的质量达到15.35%。
厚度达到17km的地壳,总质量也才地球总质量的0.42%。
失去这么多物质,不仅地壳会全部失去,就连地幔也会损失一部分。
如果还要考虑减速,地球损失的质量更是超过30%。
真正惊人的,是行星发动机产生的热量
地球质量5.965×1024kg,那么在500年中,加速到0.5%光速,总动能达到:6.7×1036J。
施加在地球上的平均功率高达:4.25×1026W。
有做功就会有吸热,为了方便计算,不放假设地球获得的动能和热量相当,也即有同等的能量转化成热量,释放到了环境中去。(其实绝大多数能量,还是被喷射的工质带走了。)
如此庞大的热量,是什么概念?
太阳的辐射功率也才3.846×1026W。
而太阳表面积是地球表面积的12000倍,可知,此时地表的能量密度是太阳表面的13000倍。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律( j∗=εδΤ4 ),辐射系数ε和斯特藩-玻尔兹曼常量 δ 皆为常数,可知单位面积的辐射功率 j∗ 与热力学温度 Τ 的四次方成正比。
求得,此时地球温度是太阳温度的10倍,也即高达6万℃。
而能量密度决定着温度,温度决定着颜色,意味着此时的地球变成了耀眼的深蓝色。
图源:The Hertzsprung-Russell Diagram
而喷流每秒钟喷出的物质多达5.8×1013kg,能量功率更高。
光柱内部重核聚变温度可达到30亿℃。
所以这1.2万个行星发动机的喷流,能量密度会更加的集中,会呈现更加耀眼的蓝色光柱。
如此高的温度,整个地球表面都会变成等离子体。如果行星发动机,一直能稳定存在。
我们看到的壮观景象会是这样:
比太行山还大的1.2万个行星发动机,在启动的刹那,1.2万个炙热光柱犹如超新星爆发一般喷射进入太空,庞大的力量推动行星发动机陷入地壳,雄伟的山脉瞬间龟裂,巨大的山体坍塌,熔岩激射,与海水相会,呈现出红与蓝交织的噩梦。
紧接着,行星发动机释放的庞大热浪席卷全球,燃烧一切生命。
很快,无论地表的水还是一切化合物都是开始气化,然后分解,最终等离子体化。随着热量的增加地球先是犹如微型红矮星,紧接着逐渐变亮变黄,然后变白,最后变成耀眼的微型蓝矮星,内部1.2万根蓝色光柱更是无比耀眼……
为什么计算出的结果这么离奇?
因为,为了让地球流浪的时间足够合理,大刘把地球的最高速度设定为0.5%光速。
地球要达到这个速度,就注定要烧掉远远超过预期的物质,那么达到的功率自然就是一个“天文数字”。
原著中的发动机推力,其实很尴尬
为了让功率显得更合理,大刘设置的单个发动机推力是150亿吨,总推力180万亿吨(1.8×1018N)。
甚至达不到能把地球推到0.5%光速力量的100分之一。
当然,一个发动机只有150亿吨(1.5×1014N)推力的话,对山体产生的压强也会降低到0.15MPa,如果有足够坚实的地基,不仅不会引起地震,甚至还不会有坍塌的风险。
也就是说,150亿吨的推力,其实大刘为了足够稳定的巨型工程结构所考虑的。
此时,全部发动机,施加在地球的加速度为3×10-7m/s2
在原著中,借用了引力弹弓效应飞到木星轨道。
图源:《流浪地球》
对于质量忽略不计的小天体来说(地球相对于木星),引力弹弓增加的速度大约为2u,也即增加了2个木星轨道的速度。地球飞到木星后,本来自身就有一个稍大于木星轨道的速度,最终速度可超过40km/s,从而可以保证轻松飞出太阳系。
而地球飞到木星轨道,是引力势能增加的过程,增加引力势能大约4.3×1033J,动能大约减少80%,即2×1033J。
可得,地球到达木星轨道,总能量增加2.3×1033J。
行星发动机总推力为1.8×1018N,推力做功等于总能量的增加。
那么,地球飞行的距离将长达1.28×1015m,也即万亿公里,这个距离已达到1/7光年。
也就是说,按照原著中的设定,需要地球不断绕太阳先飞行1/7光年,才能到达木星轨道。
根据地球的平均速度,可得这段距离,飞行所用的时间就有1500年左右。
在原著中,这段旅程仅仅只用了15年。
虽然引力弹弓的速度高达40km/s,足以飞出太阳系,不过太阳引力范围大约会在0.5光年之外才会“消失”。在接下来的0.5光年,地球平均速度在40km/s左右,耗时3500年左右。接下来1.5光年,耗时约7000年。
此时达到极速,再之后开始减速,再用一倍的时间。
需要的总时间大约要2.4万年,是大刘原著所用时间的10倍左右。
2.4万年的时间,是人类文明长度的数倍。
如果说大刘在原文中设定的2500年、100代人,考虑了文明长度的合理性,那么现实的2.4万年,对人类文明来说就是一个完全不能接受的长度。
整个加速过程,推进器达到的极速大约为75km/s,也即0.025%光速,比0.5%光速低了20倍。
通过火箭公式可以求得它的质量损失为:0.46%地球质量。
此时,工质喷射的物质,和地壳总质量接近。
虽然这个质量损失比前面少得多,但依旧是大刘原文数据近2000倍。
也就是说,哪怕单个行星发动机仅仅150亿吨的推力,也必须剥掉整个地壳才能完成流浪旅程。
没有了地壳,生命和文明都没了立根之本。
在正常情况下,哪怕没了地壳,地球海洋和陆地也会再次形成。
但如果行星发动机还存在,它还会继续改变地球。
根据行星发动机的推力和地球速度,得到它的功率约为5.4×1022W左右。
如果放热和动能相当,可以得出此时地球单位面积的辐射功率比太阳略高,比原来高出了9个数量级。
容易计算出,热平衡状态下,地表温度可达到太阳温度的110%。
也即高达6600K,接近500℃。
也就是说,虽然单个行星发动机推力达到150亿吨级别,虽然不会产生剧烈地震和火山。但推进器产生的热量会持续不断的加热地球。如果发动机可以在超高温工作,那么整个海洋会逐渐蒸发,变成有着厚厚大气的行星,随后熔岩行星,最终完全气化,再等离子体化,化身为小太阳。
按照原文,发动机周围温度仅70℃会如何?
只是喷射工质超过第二宇宙速度(地表逃逸速度),怎么都能推动地球,主要看推的时间长短。
我们不放探讨一下,这样低的功率,流浪计划所花的时间有多漫长。
地球接受太阳热辐射为1.7×1017W。
容易计算得到,地表温度升高70℃,地球增加的热辐射为原热辐射的1.3倍,也即2.21×1017W。
地球初始速度为30km/s,如果动能转化效率为50%,可得推力为7.36712N。
这个推力比前文小得多,得到的加速度仅仅只有10-12m/s。
加速1m/s,都需要用3万年的时间。
加速3000m/s的时间,达到1亿年。
哪怕把地球推到木星,让引力弹弓加速到太阳系逃逸速度,这个过程会更加漫长。
前文已经计算过,这个过程,需要额外2.3×1033J 的能量。
计算可得,推力做功的长度达到3.12×1020m,相当于30多万光年。
得到,地球绕太阳旋转攀升到木星轨道,所用时间长达:3.8亿年。
引力弹弓把地球弹出太阳系后,飞行的4光年,所用时间反而会远远短得多。当然,接近比邻星,逐渐减速的过程,同样需要长达上亿年的时间。
然而,需要消耗的地球质量同样达到0.1%,相当于地壳的24%,依旧远远比海平面以上的陆地质量多不少。
为什么速度降到足够慢,还是会出现陆地消耗完的情况。
其实我们再看看火箭公式,就能看出端倪。
当工质喷射速度已经达到极限后,飞行器(地球)要达到某个速度,工质喷射损失的比值其实是固定的。
太阳对地球有着固定的引力场,推动地球就必须抵抗这个引力场,无论你推动的速度怎么减慢,都有一个最低的能量刚需。
这个能量刚需, 反应在工质损耗上,就是一个最低的比值。
对于太阳系中的地球来说,这个最低的比值达到1/1000左右,足以消耗掉海平面以上的所有陆地。
再加上时间跨度,就注定流浪地球,完全是不可的执行方案。
总结
大刘为了让逻辑看起来合理,很多数据进行了相对合理的处理,但如果真的从科学角度来较真,其实是互相矛盾的(具体看文章开头的“太长不看版”)。
大刘设置的每个条件都是为了满足流浪地球而存在的,其实还可以有第5点,也即地球停止自转的刹车时代,大刘设置的时间是40多年,虽然看似合理,但其实刹车产生的庞大力量和热量,同样能够摧毁世界。
其实,在创作流浪地球的过程,他就已经发现了其中的问题,经过几番思想挣扎,才有了这个宏大的浪漫著作。
这里就不多说了,直接上大刘原文:
《流浪地球》要在科幻世界创刊三十年增刊上发表,这是应编辑要求写的前言:
《流浪地球》是为1999年笔会写的小说,当时要求带上自己的作品,同时带去的还有《鲸歌》《微观尽头》和《时间移民》(从未发表)。那是我第一次与科幻界接触。记得到了编辑部旁边的科协招待所已是深夜,看到服务台前有一对少男少女,男孩儿的英俊和女孩的美丽几乎是我从未见过的,仿佛是从神话中下来的人物,我立刻断定他们是来开会的科幻作者,因为在我的潜意识中科幻就是这么美的,于是凑过去问你们是不是来开笔会的?他们冲我笑笑说不是(可能是放假旅游的学生)。直到第二天早晨,笔会的作者和编辑部的人才陆续出现在招待所大厅里,我也终于发现他们不是从神话里下来的,他们显然也和我一样是食人间烟火的,明白了只有神话之外的人才能创造神话,昨晚见到的那两个绝美的少男少女是写不出神话或科幻的,就像一个人不能提着自己的头发升空。失望之余,倒也有了一种找到组织的亲切感。但直到今天,虽然当年参加笔会的一些作者的形象都模糊了,但那对深夜中遇到的少男少女还在我的记忆中栩栩如生,几乎成了科幻化身。
在那届笔会上,阿来请来了《小说选刊》资深编辑冯敏讲授国内主流文学的现状,强调科幻小说应该在文学和科学幻想上取得某种平衡,其实,《流浪地球》就是这种平衡的结果。
对于小说中的人类逃亡,从科幻或科学角度讲,我是百分之百的飞船派,因为推进地球的能量绝大部分消耗在无用的荷载上,也就是构成行星的地壳内部的物质,这些物质最大的意义就是产生重力,但重力也可由飞船的旋转来模拟。但从文学角度看,这篇作品的美学核心是科学推动世界在宇宙中流浪这样一个意象,而飞船逃亡则产生一个完全不同的逃离世界的意象,其科幻美感远低于前者。
不过后来的一次经历差点儿使这篇小说流产,那是我因公外出,第一次坐飞机,从万米高空看大地时,仍然一点儿都觉察不出地球的曲率,行星的表面仍然是一个无际的水平面,推进这样的世界简直是痴人说梦!但回去后还是坚持把小说写出来,最初只有发表时的一半长,后来应编辑的要求加长了一倍。王晋康老师在笔会上看到该文时说这应该三十万字才够,可在当时是没有机会发表长篇的。
《流浪地球》还有许多方面不得不在科幻的严谨上做出妥协,比如氦闪,只是恒星步入晚年初期的一种活动,在漫长的时间里反复发生后,恒星才能进入红巨星状态。另外,当时没有经验,竟把地球发动机的具体参数全部详细列出,详细到可以很方便地直接计算地球得到的加速度,计算的结果是:发动机只能给地球零点(N多个零)几的加速度,别说航行,改变轨道都不可能。
到现在,看到和听到了很多对自己小说的评论,有的下笔千言不知所云,但有的只一句话却让我看到了自己都没看到的真相。在2000年的笔会上,杨平对我说,他从我的小说中感觉到强烈的“回乡情结”,当时我不以为然,认为回乡情结是最不可能在我的小说中出现的东西。但后来细想,对他真是钦佩之致。光阴飞逝,现在十年过去了,很多事情都发生了变化,我很快就要离开这个生活了二十多年的地方,我在这里渡过了毕业之后的青春时光,写出了自己迄今为止的所有科幻小说,但要走了竟没什么留恋,在精神上这里不是家园,我不知道哪里是家园。现在看着窗外的群山,不由又想起了杨兄那句话。其实,自己的科幻之路也就是一条寻找家园的路,回乡情结之所以隐藏在连自己都看不到的深处,是因为我不知道家园在哪里,所以要到很远的地方去找。在《流浪地球》中所能看到的,就是这样一个行者带着孤独和惶恐启程的情景。
2009.03.25 于娘子关
这篇回答,全篇都在推翻《流浪地球》的可行性。这是作为科普回答应该有的严谨认真态度。
但对于《流浪地球》,我喜欢的正是它带着地球流浪的宏大浪漫。在关于《流浪地球2》电影的相关回答中,我就详细分析过科与幻的关系。
大刘从始至终就知道流浪地球的不可行,但为了这个宏大浪漫的想法,又必须牺牲一定的科学性。最终他进行取舍,并用数据和设定隐匿了与科学矛盾的细节,尽管大刘回头就后悔一些数据给得过于精确,反而露出了马脚。
《流浪地球》今天取得的成绩,其实就已经证明,当初大刘做出的取舍,是多么正确。
从这以后,大刘在科学性的处理上,就变得越来越聪明了。乃至于《三体》中,很多原创的点子,都被他处理得毫无痕迹。
我觉得真正优秀的科幻作品,不是作者天马行空的想象,也不是一定要严格符合科学事实,而是当你看完这部科幻作品后,你在惊叹它内容的同时,并没有第一时间去想或者想到它在科学上的不合理之处,它的内部世界浑然天成,有着自洽的逻辑,甚至还能激发你对更深层层次的思考。
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