理论上可以制造出《流浪地球》那样的行星发动机吗,产生的推力能推动地球离开太阳系吗?

Andy一瞬一世


在现实中真的不大可能呢。即便有先进的核聚变技术,也很难简单地靠制造类似喷气式飞机引擎那样的发动机,利用动量守恒,来推动地球,因为要“喷”,就要有足够的物质能够用于喷射,地球要是把自己的物质都喷出去了,那就如何能维持地球“圆满”到达目的地呢?


动量= 质量x速度


动量守恒的定律非常容易懂,就是喷射除去的物质的质量与速度之积,要与被推动的物体的质量以及产生的推动速度之积相等(可以简单理解为“正反动量”数值上要相同,方向要相反)。

而正儿八经的动量守恒定律则是指系统初动量(不管有多少物体)与末动量要相等(守恒),这个地方就不展开说了,大家可以自行百度脑补(初中物理学课本也可以)。

依靠动量守恒的方式来推动的发动机需要喷出大量的物质

《流浪地球》当中的行星发动机完全可以类比燃气灶,燃气灶通过火焰的化学能量喷出气体,然后产生一个向下的压力,因为气体的质量太小,而喷出的速度也不高,总动量不大,所以几乎不会对灶台以及地球产生什么推力。而且,喷出的气体的动量实际上也被地球的大气吸收了,这些动量最后还是会反作用于地球本身,因此燃气灶产生的推动动量实际上还是在地球这个系统内的——除非,它的火焰能够喷射到外太空……

上图:网友在自媒体上用燃气灶来模拟行星发动机—。嘿,还真像。

换成《流浪地球》当中的行星发动机情况就略有不一样了,但行星发动机面临的技术挑战也跟炉灶是一样的,他首先需要喷出物质,而且必须要具备很高的动量,我们来算一算:

  • 地球的质量约为5.965×10^24kg,所以让地球产生1m/s速度的动量就是 5.965×10^24kg·m/s。

  • 如果地球喷射出去质量为1000吨(1*10^6kg)的物质,那么必须要达到5.965×10^15km/s的速度(不用数有多少个零了,这已经超过光速了无数倍了,光速是3*10^5km/s),才能使地球达到产生1m/s的反向速度,显然是不可能的。

那么,我们就降低速度到一个现实一点的速度吧,每秒1万千米——那么需要喷出多少物质呢?

  • 5.965×10^24kg·m/s除以1x10^4km/s,等于5.965*10^20kg的物质,合596500000000000000吨,相当于万分之一个地球。

  • 这就有点不现实了,如果要让地球产生1m/s的速度,那么就必须要喷出万分之一个地球的物质,那么要产生1km/s的速度,那就需要喷出十分之一个地球——天啦噜,这完全是败家子的操作呢!

以这样的发动机来推动地球显然是不可能的,即便是核聚变,也不能解决需要喷出许多物质的问题,核聚变甚至还有质量损耗,且核聚变的反应产物中能够发射到外太空的应该基本上是光能,或许只能借助光压技术才能产生推动力,但光压也是遵循上述动量守恒产生推力的,也就是说聚变的质量损耗产生的光的动量最终还是要用动量守恒来计算对地球的推动力,那就跟前面的情况差不多了。

上图:光压产生的机理——还是动量守恒定律。


此外,行星发动机的那种“喷”发,必然会裹挟大量的地球大气喷到太空中,如果这样的话,就不会存在电影剧情中地球大气被木星捕获的情节了,如果没有东西喷出去,远离地球而去,那么地球就不会动了(就像在水中划船,没有向后远去的水流,船就不会动)。

所以,地球要流浪真是不容易的,刘慈欣考虑借助太阳和木星的引力弹弓效应是必然的二级推动措施,这个方案或许是可行的,但是在地球开始流浪的第一步,要产生初步的推动力(如上面计算的那样),对抛出物质的需求也是巨大的,这个大家可以自己去假设和演算下,应该蛮有意思的。


小宇堂


诸葛小村姑解答:既然是理论上,当然可以造出《流浪地球》里面的行星发动机!要知道,作者刘慈欣是一名计算机工程师,他的大学物理,至少学了4年吧,这样浅显的道理,难道不明白?

大伙儿质疑最多的是行星发动机会摧垮地壳结构,甚至网传电影拍摄之前,有科学家事前也否定了这个方案, 的确,这是一个问题,我们的地球实际上是一个类似蛋壳包裹的铁水气球,直径12000公里的铁水球,地壳的厚度也就最多200公里,还经常发生地震火山什么的。

(是不是蛋壳一样薄?)

大家不要忘了,肥皂泡够脆弱了吧?可是我们依旧能够吹动肥皂泡,而不至于破裂,这就是行星发动机的最有力原理。


电影中,行星发动机做得高大壮观,那是因为高度支撑和散热的需要,因为喷射出的工质是接近于光速的基本粒子,会与大气分子碰撞导致速度衰减,因此要造得很高,这个高度,超过11000米,为的就是尽量避开厚重的大气层,毕竟高空大气稀薄。底部做得那么大,是为了抵抗地球停摆后导致的超级海啸和飓风,300米的巨浪,可以吹拂掉摩天大楼。

行星发动机的推重比不可能很大,否则真的会导致地壳波动,它们就像我们轻轻吹拂肥皂泡一样,要柔和,因此光让地球停止旋转,就花费了50年!因为在物理计算中,时间通常是用“秒”的平方作为计算尺度的,一天就是86400秒,(86400*50*365)^2……自己乘一下吧!

10000台发动机尽管推力微小,可是乘以时间的平方,就是难以估量的了,况且,离开太阳,不是从太阳中心拉出来半径方向离开,而是等速螺旋线,因此只要在半径方向上持续加速即可,记住,是持续,这个时间是多少“亿”秒!这种情况下,甭说地球,木星也得被吹跑了。

(地球是这样子逃跑的,并不是直线方向)

当然,以现在的人力物力,造一台这样的机器都困难,不过在大灾难面前,可不是这样算的,就算牺牲掉50%的人也得搞出来,这是文明的使命。

谢谢阅读!


诸葛小村姑


想法是美好的,现实是残酷的。如果真的突然太阳要突然熄灭发生氦闪,那么很可惜的是我们并不能够制造像电影里面一样的太空发动机。原因如下:



地球达到脱离太阳系,需要的能量太大,核燃料太多!

地球净重6*10^24kg,想要逃脱太阳引力,速度必须达到29.8+16.7=46.5km/s的速度。这样的话,需要的动能就是:1/2*mv2=2.5*10^33J能量。如果核能燃料有千分之一的质量损失,核燃料燃烧4%,则需要6.8*10^19kg核燃料。如此巨量的核燃料,几乎相当于千分之一个月球。人类想要得到这么多核燃料,把地球挖空都不一定凑够。



而且,核能如何转化成地球动能也是个问题。

太空中想要推动地球,人类必须利用“喷气式”飞机的工作原理,即像火箭一样向太空喷出气体。而利用核能直接驱动地球,人类更本就没有这方面的任何技术储备。所以,即便是核燃料找够了,人类也没有能力直接利用核能驱动地球!



其实,真正想要推动地球,单单靠原始的动力驱动形式并不行。必须要发展新的太空飞行技术,比如通过磁场或者某种重力场,改变局部空间曲率实现地球移动,这种技术才是未来真的实现流浪地球必须技术。


科学探秘频道


《流浪地球》中的行星发动机叫重元素聚变发动机,属于核聚变引擎的一种。电影中的聚变发动机十分庞大,吃的是岩石,喷出的是高温等离子体,一台发动机全功率运行会产生150亿吨推力。

这种核聚变引擎还真不是科幻。首先核聚变理论早已为人类掌握,开发出不可控核聚变产品——氢弹,现在研究的难点是实现可控核聚变;其次,美国正在研究核聚变引擎,并计划在未来几年投入使用(当然有可能跳票)。

和电影《流浪地球》中的重元素核聚变引擎不同,美国的这款引擎是轻元素核聚变。为什么不采用电影中的重元素核聚变?答案是宇宙飞船比地球小巧,要求核聚变引擎必须轻巧,质量转化成能量的效率高,而重元素核聚变的质能转换效率低,适合地球这种应用环境:岩石燃料敞开供应,地面宽阔,发动机可以做到比珠穆朗玛峰高,大到让太行山脉小如土丘(大刘原话,不是我胡扯),来张图压压惊:

核聚变发动机的原理大致如下:

  1. 将氘和氚的等离子体注入反应室;

  2. 在反应室中利用线圈产生的磁场对氘和氚等离子体进行压缩;

  3. 氘和氚发生核聚变之后从喷管喷出,释放能量,产生推力。

示意图如下:

美国宇航局(NASA)曾做过评估,在某次火星计划中,用化学火箭的话,全程需要发射9次,任务总耗时1680天,而采用核聚变引擎,时间将缩短到210天,只需一发运载火箭就可以搞定。具体见下图:

总之,核聚变发动机由于比冲优势、质量转换效率高,是未来替代化学火箭进行空间旅行的必备利器。这么说吧,核聚变发动机问世之日,即是人类开启行星旅行之时。


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魔铁的世界


且不说行星发动机能不能造出来,就是燃料恐怕都挖不动。

需要多少燃料呢?一座山?两座山?全球的山?

都不够,我们需要一颗火星,把它所有的石头都聚变成铁,才足够把地球送到比邻星。

上图就是我渲染的模型,其中黑色的球就是所需要的燃料。可以看到,若要把地球加速到光速的千分之五,得把地球挖的天翻地覆都不一定够。

计算的过程比较复杂,简单说一点点。

首先是能量。达到了光速的量级,即使是高速带来的动能,其对应的质量都是极为巨大的。考虑到核聚变的效率最高也就1%上下,仅仅是要提供地球的动能,就需要烧掉相当于地球半径13%的燃料。大概是这样:

但是这还不够。因为推动地球前进,需要向后喷射物质。这些喷出去的物质,才是大头,消耗了大部分的质量,也消耗了大部分的能量。如果算下这些,最终的消耗量,就和图一一样。

挖掉这么多东西,地球就算到了比邻星,估计也面目全非了……

不过毕竟是科幻,没有必要如此苛刻,好看、有深度便好。


章彦博


理论上人类掌握足够的科技和能量,连银河系都能毁了,移走地球算个什么事,只要推力充足,地球不过是体积大一点的飞船,运用的科学原理和飞船没区别。

《流浪地球》中建造的行星发动机利用重元素聚变获得能量,填进去石头都可以做燃料,高十公里左右,总共10000多台,想要把地球推离现有轨道只要投入足够的材料就行,而地球不缺少比碳还重的元素,只不过将地球加速到第三宇宙速度,使地球飞离太阳系所需要的能量足以消耗一条庞大的山脉。毕竟还是文艺作品,不能太强调物理的合理性,而是要看作者透露出的思想,那就是人类抗争的天性,不会坐以待毙。

《流浪地球》中的设定是太阳突然发生氦闪,太阳突然就快灭亡了,地球环境的改变使地球不再适合人类生存,非常寒冷,于是全世界突然就停止了纷争,联合在一起造行星发动机。目前可控核聚变在实验室已经实现了,只是能够持续的温度还比较低,反应的时间也还比较短,但已经看到了希望。目前的可控核聚变是利用氢的同位素氘那样的轻元素,这个还不能投入实用,更不用提重元素聚变了。

卡尔达舍夫曾对文明进行了分级,认为文明大体可以分为几个阶段,最高阶段可以利用整个星系或者宇宙的能量,对那种文明层次的生物来说,毁掉星系估计还真不是啥大事,建造行星那么大的飞船更没压力。小说就是小说,不能用科学理论严格分析。


来看世界呀


确实有几个争议点:

一、停止自转的时机?或者说其实不太需要停止自转。停止自转是一个风险很高的选择。如果贸然停止自转,确实很可能整个地球会解构的。地球维持稳定的现状,正是自转离心力对太阳引力的抵消;

二、地球不应该刹车,而是加速逃离太阳系,就不用借助木星了。且,如果刹车,能不能逃脱太阳引力都是巨大的挑战。所以地球逃离应当是加速通过扩大自转直径逐渐逃离太阳引力,并且在比较长的时间没调整黄道面避免与小行星带碰撞,否则一个小行星就直接歇菜了;

三、整个影片的事件改变结果的时间太迅速,跟速度和距离不成比例,要么发生撞击时间太短,要么反弹离开时间太迅速,能够立马见效的将地球弹开,估计就这个冲击,地球就歇菜了;

四、月球的处理显得很微妙也需要很谨慎,如何抛弃月球是必须要交代的环节。用月球代替领航空间站,其实更符合未来科技及选择;

五、一万座大功率发动机推动地球螺旋逃离太阳系,发动机应当建满全球,只开半数,剩下的发动机是备用。地球在很长时间内,仍旧有四季,且发动机分布的北半球,因发动机的作用,应当是长期白昼,温度偏高,甚至能够鸟语花香;

六、背离太阳且没有受到发动机光照的区域,冷热交界处应当风暴频繁;

当然,这部电影值得肯定,中国科幻片由此宣告崛起,我看了三遍,内心澎湃,引以为豪。




DS忠正爱华



《流浪地球》中人类之所以制造行星发动机,是因为他们观测到太阳将在未来出现一次“氦闪”并且损失5%的质量,如果地球到时候还留在太阳系的话就会被太阳给吞噬掉,所以人类制造了上万台行星发动机来给地球刹车并且加速到光速的1%,以这个速度漂移几千年后用行星发动机进行减速,最后泊入比邻星轨道,成为它的一颗卫星。

小说中的行星发动机的原理是重元素核聚变,也就是让普通的石头进行核聚变反应从而产生能量推动地球,理论上来说这种这种行星发动机是可以实现的,因为地球本质上就得一颗漂浮在宇宙中的巨大岩石,那么只要给这个岩石安装上足够强大的发动机,那么地球就能获得机动能力。



但是小说中的行星发动机并不是直接把地球推到比邻星轨道的,而是通过复杂的变轨让地球充分利用木星等巨行星的引力弹弓效应进行加速从而离开太阳系,行星发动机的主要作用还是刹住地球自转以及对地球进行减速,而不是把推动到比邻星轨道。

理论上来说只要人类掌握了重元素核聚变技术和超级材料技术,那么就能制造出行星发动机来给地球加速,但是《流浪地球》的作者刘慈欣自己也认为用整个地球作为飞船是很愚蠢的决定,因为人类在掌握行星发动机这种技术的情况下完全可以建造巨型飞船来进行逃亡,这样一来不仅质量大大减小,而且还能让人类免受地球停转带来的恶劣环境。



《流浪地球》电影在2019年春节档就会正式公映,希望到时候不会让人失望。


宇宙探索未解之迷


理论的东西有很多都是人想不到的,和不敢想的。



只要我们按照物理学把火箭的原理无限放大,这时我们就可以得到了那么大的发动机来推动地球来实现流浪地球的计划。



如果以我们现在的科技实力来看,这明显是不可能的。以人类文明发展到现在来说,人类文明的不断进步来说,再过几百年,这是完全有可能的。就像古代人想在天上飞一样,在当时是完全没有可能的,但到了现实,飞上天已经不奇怪了。



所以说在理论上,建造这么大的发动机,还是有可能的,就像“给我一个支点我能撬动地球”的一样,在理论这也是完全可以的。



Shy子月


《流浪地球》今天公映,它是又一部感人的拯救地球、拯救全人类的佳作。以前总以为只有美国人才能拯救地球,有了刘慈欣,现在看来,咱们也可以了。

看完之后再仔细回想:我们真的能做得到吗?未来,人类真的可以造出如此多如此庞大的“行星发动机”,将我们的地球家园推离太阳系,去到一个遥远的地方避难吗?

首先看看这个发动机的体量有多大

从图像看它是金字塔星形结构的巨大钢制建筑。

(巨大的行星发动机)

我们粗略地估算了一下这个大家伙的体积,它的底座大约有22公里直径,高11公里,建造它大约需要1.9万亿吨的钢材。如果按电影中1万座行星发动机计,总用钢量将达到1.9亿亿吨。我们地壳中铁的含量大约是4.75%,3千米厚地壳的总质量大约是85.6亿亿吨,也就是说,如果我们挖地3千米,将所有的铁全部提炼出来,将得到4.06亿亿吨的铁。如果刨去70%的海洋面积,就只有1.2亿亿吨了。

你能想象人类把地球表面全部都深挖3千米来冶炼钢铁,会造成什么样的生态灾难吗?

冶炼如此多的钢铁,需要消耗多少的资金和其它资源?

其次,我们的大气层能否经受住考验?

行星发动机有1.1万米高,它比珠穆朗玛峰还要高2100米,看起来已经很高了。但我们赖以生存的大气层厚度却在1000千米以上,1.1万米只不过刚刚够到平流层而已。

(行星发动机,高山仰止)

如果这一万座行星发动机同时开机,它在推动地球的同时,也将我们宝贵的大气一并吹向太空!

这是种很可怕的情况,《流浪地球》中并没有交待。不过,我并不担心这种情况会发生。因为从科学的角度来分析,这些行星发动机根本不能让地球停止转动。

第三,地球停不下来。

为什么一万台强大的等离子体发动机不能让地球停下来?

我们知道,地球的内部有一颗大约月球2/3大小的巨型铁核,围绕在这颗炙热铁核周围的是温度高达6000度的深深的金属“海洋”。正是地心铁核与地壳转动的角速度差,才使得我们地球周围产生了强大的磁场,而这个强大的磁场阻止了强大的太阳风和宇宙射线袭击我们地球,危害我们人类和地球上所有的物种生存。

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