理論上可以製造出《流浪地球》那樣的行星發動機嗎,產生的推力能推動地球離開太陽系嗎?

Andy一瞬一世


想法是美好的,現實是殘酷的。如果真的突然太陽要突然熄滅發生氦閃,那麼很可惜的是我們並不能夠製造像電影裡面一樣的太空發動機。原因如下:



地球達到脫離太陽系,需要的能量太大,核燃料太多!

地球淨重6*10^24kg,想要逃脫太陽引力,速度必須達到29.8+16.7=46.5km/s的速度。這樣的話,需要的動能就是:1/2*mv2=2.5*10^33J能量。如果核能燃料有千分之一的質量損失,核燃料燃燒4%,則需要6.8*10^19kg核燃料。如此巨量的核燃料,幾乎相當於千分之一個月球。人類想要得到這麼多核燃料,把地球挖空都不一定湊夠。



而且,核能如何轉化成地球動能也是個問題。

太空中想要推動地球,人類必須利用“噴氣式”飛機的工作原理,即像火箭一樣向太空噴出氣體。而利用核能直接驅動地球,人類更本就沒有這方面的任何技術儲備。所以,即便是核燃料找夠了,人類也沒有能力直接利用核能驅動地球!



其實,真正想要推動地球,單單靠原始的動力驅動形式並不行。必須要發展新的太空飛行技術,比如通過磁場或者某種重力場,改變局部空間曲率實現地球移動,這種技術才是未來真的實現流浪地球必須技術。


科學探秘頻道


諸葛小村姑解答:既然是理論上,當然可以造出《流浪地球》裡面的行星發動機!要知道,作者劉慈欣是一名計算機工程師,他的大學物理,至少學了4年吧,這樣淺顯的道理,難道不明白?

大夥兒質疑最多的是行星發動機會摧垮地殼結構,甚至網傳電影拍攝之前,有科學家事前也否定了這個方案, 的確,這是一個問題,我們的地球實際上是一個類似蛋殼包裹的鐵水氣球,直徑12000公里的鐵水球,地殼的厚度也就最多200公里,還經常發生地震火山什麼的。

(是不是蛋殼一樣薄?)

大家不要忘了,肥皂泡夠脆弱了吧?可是我們依舊能夠吹動肥皂泡,而不至於破裂,這就是行星發動機的最有力原理。


電影中,行星發動機做得高大壯觀,那是因為高度支撐和散熱的需要,因為噴射出的工質是接近於光速的基本粒子,會與大氣分子碰撞導致速度衰減,因此要造得很高,這個高度,超過11000米,為的就是儘量避開厚重的大氣層,畢竟高空大氣稀薄。底部做得那麼大,是為了抵抗地球停擺後導致的超級海嘯和颶風,300米的巨浪,可以吹拂掉摩天大樓。

行星發動機的推重比不可能很大,否則真的會導致地殼波動,它們就像我們輕輕吹拂肥皂泡一樣,要柔和,因此光讓地球停止旋轉,就花費了50年!因為在物理計算中,時間通常是用“秒”的平方作為計算尺度的,一天就是86400秒,(86400*50*365)^2……自己乘一下吧!

10000臺發動機儘管推力微小,可是乘以時間的平方,就是難以估量的了,況且,離開太陽,不是從太陽中心拉出來半徑方向離開,而是等速螺旋線,因此只要在半徑方向上持續加速即可,記住,是持續,這個時間是多少“億”秒!這種情況下,甭說地球,木星也得被吹跑了。

(地球是這樣子逃跑的,並不是直線方向)

當然,以現在的人力物力,造一臺這樣的機器都困難,不過在大災難面前,可不是這樣算的,就算犧牲掉50%的人也得搞出來,這是文明的使命。

謝謝閱讀!


諸葛小村姑


《流浪地球》中的行星發動機叫重元素聚變發動機,屬於核聚變引擎的一種。電影中的聚變發動機十分龐大,吃的是岩石,噴出的是高溫等離子體,一臺發動機全功率運行會產生150億噸推力。

這種核聚變引擎還真不是科幻。首先核聚變理論早已為人類掌握,開發出不可控核聚變產品——氫彈,現在研究的難點是實現可控核聚變;其次,美國正在研究核聚變引擎,並計劃在未來幾年投入使用(當然有可能跳票)。

和電影《流浪地球》中的重元素核聚變引擎不同,美國的這款引擎是輕元素核聚變。為什麼不採用電影中的重元素核聚變?答案是宇宙飛船比地球小巧,要求核聚變引擎必須輕巧,質量轉化成能量的效率高,而重元素核聚變的質能轉換效率低,適合地球這種應用環境:岩石燃料敞開供應,地面寬闊,發動機可以做到比珠穆朗瑪峰高,大到讓太行山脈小如土丘(大劉原話,不是我胡扯),來張圖壓壓驚:

核聚變發動機的原理大致如下:

  1. 將氘和氚的等離子體注入反應室;

  2. 在反應室中利用線圈產生的磁場對氘和氚等離子體進行壓縮;

  3. 氘和氚發生核聚變之後從噴管噴出,釋放能量,產生推力。

示意圖如下:

美國宇航局(NASA)曾做過評估,在某次火星計劃中,用化學火箭的話,全程需要發射9次,任務總耗時1680天,而採用核聚變引擎,時間將縮短到210天,只需一發運載火箭就可以搞定。具體見下圖:

總之,核聚變發動機由於比衝優勢、質量轉換效率高,是未來替代化學火箭進行空間旅行的必備利器。這麼說吧,核聚變發動機問世之日,即是人類開啟行星旅行之時。


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魔鐵的世界


在現實中真的不大可能呢。即便有先進的核聚變技術,也很難簡單地靠製造類似噴氣式飛機引擎那樣的發動機,利用動量守恆,來推動地球,因為要“噴”,就要有足夠的物質能夠用於噴射,地球要是把自己的物質都噴出去了,那就如何能維持地球“圓滿”到達目的地呢?


動量= 質量x速度


動量守恆的定律非常容易懂,就是噴射除去的物質的質量與速度之積,要與被推動的物體的質量以及產生的推動速度之積相等(可以簡單理解為“正反動量”數值上要相同,方向要相反)。

而正兒八經的動量守恆定律則是指系統初動量(不管有多少物體)與末動量要相等(守恆),這個地方就不展開說了,大家可以自行百度腦補(初中物理學課本也可以)。

依靠動量守恆的方式來推動的發動機需要噴出大量的物質

《流浪地球》當中的行星發動機完全可以類比燃氣灶,燃氣灶通過火焰的化學能量噴出氣體,然後產生一個向下的壓力,因為氣體的質量太小,而噴出的速度也不高,總動量不大,所以幾乎不會對灶臺以及地球產生什麼推力。而且,噴出的氣體的動量實際上也被地球的大氣吸收了,這些動量最後還是會反作用於地球本身,因此燃氣灶產生的推動動量實際上還是在地球這個系統內的——除非,它的火焰能夠噴射到外太空……

上圖:網友在自媒體上用燃氣灶來模擬行星發動機—。嘿,還真像。

換成《流浪地球》當中的行星發動機情況就略有不一樣了,但行星發動機面臨的技術挑戰也跟爐灶是一樣的,他首先需要噴出物質,而且必須要具備很高的動量,我們來算一算:

  • 地球的質量約為5.965×10^24kg,所以讓地球產生1m/s速度的動量就是 5.965×10^24kg·m/s。

  • 如果地球噴射出去質量為1000噸(1*10^6kg)的物質,那麼必須要達到5.965×10^15km/s的速度(不用數有多少個零了,這已經超過光速了無數倍了,光速是3*10^5km/s),才能使地球達到產生1m/s的反向速度,顯然是不可能的。

那麼,我們就降低速度到一個現實一點的速度吧,每秒1萬千米——那麼需要噴出多少物質呢?

  • 5.965×10^24kg·m/s除以1x10^4km/s,等於5.965*10^20kg的物質,合596500000000000000噸,相當於萬分之一個地球。

  • 這就有點不現實了,如果要讓地球產生1m/s的速度,那麼就必須要噴出萬分之一個地球的物質,那麼要產生1km/s的速度,那就需要噴出十分之一個地球——天啦嚕,這完全是敗家子的操作呢!

以這樣的發動機來推動地球顯然是不可能的,即便是核聚變,也不能解決需要噴出許多物質的問題,核聚變甚至還有質量損耗,且核聚變的反應產物中能夠發射到外太空的應該基本上是光能,或許只能藉助光壓技術才能產生推動力,但光壓也是遵循上述動量守恆產生推力的,也就是說聚變的質量損耗產生的光的動量最終還是要用動量守恆來計算對地球的推動力,那就跟前面的情況差不多了。

上圖:光壓產生的機理——還是動量守恆定律。


此外,行星發動機的那種“噴”發,必然會裹挾大量的地球大氣噴到太空中,如果這樣的話,就不會存在電影劇情中地球大氣被木星捕獲的情節了,如果沒有東西噴出去,遠離地球而去,那麼地球就不會動了(就像在水中划船,沒有向後遠去的水流,船就不會動)。

所以,地球要流浪真是不容易的,劉慈欣考慮藉助太陽和木星的引力彈弓效應是必然的二級推動措施,這個方案或許是可行的,但是在地球開始流浪的第一步,要產生初步的推動力(如上面計算的那樣),對拋出物質的需求也是巨大的,這個大家可以自己去假設和演算下,應該蠻有意思的。


小宇堂


確實有幾個爭議點:

一、停止自轉的時機?或者說其實不太需要停止自轉。停止自轉是一個風險很高的選擇。如果貿然停止自轉,確實很可能整個地球會解構的。地球維持穩定的現狀,正是自轉離心力對太陽引力的抵消;

二、地球不應該剎車,而是加速逃離太陽系,就不用藉助木星了。且,如果剎車,能不能逃脫太陽引力都是巨大的挑戰。所以地球逃離應當是加速通過擴大自轉直徑逐漸逃離太陽引力,並且在比較長的時間沒調整黃道面避免與小行星帶碰撞,否則一個小行星就直接歇菜了;

三、整個影片的事件改變結果的時間太迅速,跟速度和距離不成比例,要麼發生撞擊時間太短,要麼反彈離開時間太迅速,能夠立馬見效的將地球彈開,估計就這個衝擊,地球就歇菜了;

四、月球的處理顯得很微妙也需要很謹慎,如何拋棄月球是必須要交代的環節。用月球代替領航空間站,其實更符合未來科技及選擇;

五、一萬座大功率發動機推動地球螺旋逃離太陽系,發動機應當建滿全球,只開半數,剩下的發動機是備用。地球在很長時間內,仍舊有四季,且發動機分佈的北半球,因發動機的作用,應當是長期白晝,溫度偏高,甚至能夠鳥語花香;

六、背離太陽且沒有受到發動機光照的區域,冷熱交界處應當風暴頻繁;

當然,這部電影值得肯定,中國科幻片由此宣告崛起,我看了三遍,內心澎湃,引以為豪。




DS忠正愛華


且不說行星發動機能不能造出來,就是燃料恐怕都挖不動。

需要多少燃料呢?一座山?兩座山?全球的山?

都不夠,我們需要一顆火星,把它所有的石頭都聚變成鐵,才足夠把地球送到比鄰星。

上圖就是我渲染的模型,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夠。

計算的過程比較複雜,簡單說一點點。

首先是能量。達到了光速的量級,即使是高速帶來的動能,其對應的質量都是極為巨大的。考慮到核聚變的效率最高也就1%上下,僅僅是要提供地球的動能,就需要燒掉相當於地球半徑13%的燃料。大概是這樣:

但是這還不夠。因為推動地球前進,需要向後噴射物質。這些噴出去的物質,才是大頭,消耗了大部分的質量,也消耗了大部分的能量。如果算下這些,最終的消耗量,就和圖一一樣。

挖掉這麼多東西,地球就算到了比鄰星,估計也面目全非了……

不過畢竟是科幻,沒有必要如此苛刻,好看、有深度便好。


章彥博



《流浪地球》中人類之所以製造行星發動機,是因為他們觀測到太陽將在未來出現一次“氦閃”並且損失5%的質量,如果地球到時候還留在太陽系的話就會被太陽給吞噬掉,所以人類製造了上萬臺行星發動機來給地球剎車並且加速到光速的1%,以這個速度漂移幾千年後用行星發動機進行減速,最後泊入比鄰星軌道,成為它的一顆衛星。

小說中的行星發動機的原理是重元素核聚變,也就是讓普通的石頭進行核聚變反應從而產生能量推動地球,理論上來說這種這種行星發動機是可以實現的,因為地球本質上就得一顆漂浮在宇宙中的巨大岩石,那麼只要給這個岩石安裝上足夠強大的發動機,那麼地球就能獲得機動能力。

但是小說中的行星發動機並不是直接把地球推到比鄰星軌道的,而是通過複雜的變軌讓地球充分利用木星等巨行星的引力彈弓效應進行加速從而離開太陽系,行星發動機的主要作用還是剎住地球自轉以及對地球進行減速,而不是把推動到比鄰星軌道。

理論上來說只要人類掌握了重元素核聚變技術和超級材料技術,那麼就能製造出行星發動機來給地球加速,但是《流浪地球》的作者劉慈欣自己也認為用整個地球作為飛船是很愚蠢的決定,因為人類在掌握行星發動機這種技術的情況下完全可以建造巨型飛船來進行逃亡,這樣一來不僅質量大大減小,而且還能讓人類免受地球停轉帶來的惡劣環境。

《流浪地球》電影在2019年春節檔就會正式公映,希望到時候不會讓人失望。


宇宙探索未解之迷


看了很多評論,很多人物理,生物課肯定翹課了!知道我們為什麼還沒發現外星生物麼?就是因為能提供生物誕生與繁衍的條件太苛刻!地球之所以能誕生生物跟地球所處的位置很重要!其他的不說,單是溫度這條就很重要。地球都知道地球的溫度是太陽輻射提供的,地球距太陽的距離很重要!遠了太冷近了太熱。這就是為什麼太陽系其他幾大行星沒有生命?單是這條基礎條件就沒達到!當然地球本身的條件也很重要這裡就不說了。這是地球自身所具備的。

地球一旦離開現在的位置,就溫度這條就能讓地球生物死翹翹!要麼立刻變冰棍,要麼直接燒化了毛都不剩!地球分分鐘變月球、變火星、變水星……都有可能!

電影嘛看看就好,不要當真,畢竟我們都不是超級英雄,人類太脆弱了





94自定義


理論的東西有很多都是人想不到的,和不敢想的。



只要我們按照物理學把火箭的原理無限放大,這時我們就可以得到了那麼大的發動機來推動地球來實現流浪地球的計劃。



如果以我們現在的科技實力來看,這明顯是不可能的。以人類文明發展到現在來說,人類文明的不斷進步來說,再過幾百年,這是完全有可能的。就像古代人想在天上飛一樣,在當時是完全沒有可能的,但到了現實,飛上天已經不奇怪了。



所以說在理論上,建造這麼大的發動機,還是有可能的,就像“給我一個支點我能撬動地球”的一樣,在理論這也是完全可以的。



Shy子月


理論上人類掌握足夠的科技和能量,連銀河系都能毀了,移走地球算個什麼事,只要推力充足,地球不過是體積大一點的飛船,運用的科學原理和飛船沒區別。

《流浪地球》中建造的行星發動機利用重元素聚變獲得能量,填進去石頭都可以做燃料,高十公里左右,總共10000多臺,想要把地球推離現有軌道只要投入足夠的材料就行,而地球不缺少比碳還重的元素,只不過將地球加速到第三宇宙速度,使地球飛離太陽系所需要的能量足以消耗一條龐大的山脈。畢竟還是文藝作品,不能太強調物理的合理性,而是要看作者透露出的思想,那就是人類抗爭的天性,不會坐以待斃。

《流浪地球》中的設定是太陽突然發生氦閃,太陽突然就快滅亡了,地球環境的改變使地球不再適合人類生存,非常寒冷,於是全世界突然就停止了紛爭,聯合在一起造行星發動機。目前可控核聚變在實驗室已經實現了,只是能夠持續的溫度還比較低,反應的時間也還比較短,但已經看到了希望。目前的可控核聚變是利用氫的同位素氘那樣的輕元素,這個還不能投入實用,更不用提重元素聚變了。

卡爾達舍夫曾對文明進行了分級,認為文明大體可以分為幾個階段,最高階段可以利用整個星系或者宇宙的能量,對那種文明層次的生物來說,毀掉星系估計還真不是啥大事,建造行星那麼大的飛船更沒壓力。小說就是小說,不能用科學理論嚴格分析。


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