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2019-07-19 13:55

带着地球去流浪,总共分几步?

本文来自微信公众号:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:陈征,北京交通大学物理国家级实验教学示范中心教师。封面:《流浪地球》


“虽然现在要按文理分科,但是我们生活在一个完整的世界,我们应该面对一个科学、文化、艺术交织在一起的世界。”


今天以《流浪地球》作为引子,跟大家分享一下:科学是什么,科幻是什么,它们之间是什么关系,以及科学家是怎么思考事情的。


科学是什么,科幻是什么


人类文明可分为三部分:科学、文化、艺术。这三部分各有分工:科学求真,文化求善,艺术求美,它们有时候相互交织,但是各自解决不同的问题。我们面对的世界是由科学、文化、艺术等因素组合而成的完整的世界。



科教、科普、科幻有什么不同呢?课堂上学习的数理化,有公式、有计算、有推导、有证明,严格严谨,这是科学教育;《加油,向未来》这类科学节目的目的是让大家粗略了解科学是什么,这是科普;科幻介于二者之间,有一定的科学依据,同时也要有浪漫的想象,既要严谨,又要好玩。


科幻是什么?是科学、文化、艺术相结合的产物。也是相互妥协让步的产物。


科幻有一个好的主题就够了,比如《流浪地球》里“背着地球去流浪”这个主题就很打动我。科幻作品里浪漫想象必不可少。科学和非科学也不一定代表对或错。





举个例子,《星球大战》是一部经典的科幻作品,我们从科学家的角度分析他们手里拿着的光剑到底什么做的。它是激光吗?两束激光是不会顶在一起的,激光笔的光是无限长的。火焰是一种等离子体,所以这个会是等离子体吗?两道火焰不会顶在一起,更何况相撞的时候还发出声音,还火星四射。


如果从科学严谨的角度来看,这把剑更像一根铁棍。我曾经用两千多字的一篇文章专门论述过《星球大战》里面的光剑,其实是两根烧红了的铁棍。


第一,它们会发光;第二、它们能顶在一起;第三、它们在相互碰撞的时候还会冒火花,所有行为特征都符合。所以我们不要把科幻的东西当教科书看,科幻对我们来讲是一个愿景、启发、愿望。


科学到底解决什么问题?简单来说,科学解决人和自然关系的问题,不解决价值判断的问题,不解决人和人之间的问题。如果按科学(这里说的是狭义的科学,就是可测量的,可验证的才叫科学)的原则,我们在团体里讲达尔文法则,物竞天择、适者生存。这是不合理的,我们应该讲友爱同学、尊敬师长。


回到《流浪地球》,飞船派还是地球派不是科学问题。西方喜欢飞船派,他们传承古希腊文明;我们是地球派,传承农耕文明,这种文化判断是深深植根于我们文化之内的,是没有对错的。


至于联合政府是什么样的?地下城里面是居委会、村委会还是奴隶社会?跟科学关系不大,这是社会问题。



有人讨论过《流浪地球》里的这个场景,今天我们都有自动驾驶了,卡车为什么还要用人开?科学只解决卡车能不能自动驾驶的问题,我们要不要使用这个技术跟科学没有关系。   


什么才是科学问题?我们都知道把大象关冰箱总共分三步,这就是清晰的逻辑。带着地球去流浪分几步?这个问题可以比作出去旅游,要解决几个问题:去哪里?怎么去?带什么去?


科学家是如何思考问题的


当我们面对一个现实的问题的时候,因为时间有限,资源有限,所以我们要优先解决更重要的问题。最重要的是去哪里,然后再考虑怎么去,最后再想带什么。如果没有解决去上海还是去杭州的问题就考虑带什么去是没有用的。


所以科学家面对问题时需要有清晰的思路。大家习惯于标准答案,但从你走出校园离开考场那一刻开始,就再也没有人告诉你标准答案。



从一个科学家的角度出发,我们假设现在要带着地球去逃跑,怎么跑?能不能跑得了?


比邻星(ProximaCentauri)


首先是往哪跑的问题,我们要确定一个目标。流浪地球的目标是远离太阳系,到达比邻星,虽然比邻星不一定是特别好的选择,因为比邻星的质量只有太阳的1/8,它比太阳还暴躁。它是三星系统,我们跑到那里估计还得多学一个脱水的技能。但这个问题跟物理无关,应该由天文学家来回答。


怎么跑?物理学家研究问题有个基本方法,化繁为简,要先研究最简单的现象,研究明白以后再从简入繁。比如研究质点,激光笔掉到地上,如何研究落地多久?把它看成一个有质量的点,知道一个点怎么落下去之后,再考虑它的形状、大小和颜色。   


物理学家解决问题的武器有两样:一、物理规律、二、边界条件。1+1=2当中的+就是物理规律,1和1就是边界条件,加法是规律,1234就是条件。有了规律和条件就知道1+1=2。



我们现在要逃离太阳系,冲向比邻星。物理规律是什么?牛顿定律和万有引力。边界条件就是当前所处的地方,太阳在哪?地球在哪?木星在哪?要干什么事?逃跑。


先建一个理想模型:不考虑地球软硬、大小、颜色,把地球看成一个点,绕着太阳沿正圆转。跑不跑得了?宇宙第一天条:出来混迟早要还的,也就是万物守恒。



基于这个守恒定律,我们要从地球这个坑里逃出去需要多少能量?需要10的33次方能量。



如果靠烧煤获得这么多能量需要多少?需要烧掉大约15个地球。



用核聚变的方式,要烧掉多少个地球?百万分之五,我们烧掉百万分之五的地壳就能离开太阳系了。


那能不能加速到光速的千分之五。地球要想加速到光速的千分之五,需要烧掉地球质量的1.2%,就是要把整个地壳都烧掉。


然后算算推力够不够。要想获得小说里的150万亿吨推力,需要每秒钟喷出去50亿吨石头,而且速度要达到火箭速度的60倍。整个三峡395亿吨,把整个三峡的水拿来做水火箭够喷八秒钟。



这是电影里出现的车,根据人和车的比例,我找一辆真实的车。



这是世界上目前最大的车,315吨的载重,每秒钟烧50亿吨石头,意味着一秒钟烧1600万辆车的载重。



加速到千分之五的光速,要3.8万年才能做到。所以我提高了这个条件,用光速的1%喷物质,每秒50亿吨,这样需要喷1.5万年,但是要损失掉40%的地球。加完速还要刹车的,再一刹车那40%又没了。


我们现在以光速的10%的喷,把整个三峡的水一秒钟喷完, 450年可以实现。这个和小说比较接近。


如果说10%的地球消耗量太大了,我们假设以光速50%去喷,这样380年能实现消耗1%的地球。但是我们几乎达不到50%的光速。地球到底跑得了吗?乐观到令人发指地说:“不是完全不可能,但是难度也大到令人发指。”



解决了这些问题以后,我们根据能量守恒知道大体可以实施。接下来用牛顿和爱因斯坦理论去做计算。150万亿吨推力的推背感其实很小,要把地球推走还需要克服非常多的力学问题。


如何让地球流浪?目前《流浪地球》里面的方案是在一个生鸡蛋上绑了一堆窜天猴。地壳厚度相当于地球半径的0.27%,而一个生鸡蛋壳厚度相当于半径的1.2%。就是说地球是个薄壳鸡蛋,而且地球是有板块的,它还是一个有裂纹的薄皮鸡蛋,这是非常可怕的事情。



这个发动机底下到底有多少压强?大约相当于2万米深的水压。其实电影里面对洛希极限的问题做了妥协,因为地球对木星的洛希极限在大概0.7倍木星半径里面,不在木星外面。为了电影情节只能忽视这个问题。


刘培强中校的领航员号空间站在地球前方10万公里处,他冲回火柱时用了不到一分钟。我们如果拿0.5at²方去计算,他那时候承受了几百倍重力加速度,你绝对看不到眼泪飘在空中的景象,而是刘培强中校被自己的体重压扁了。


当有一个科学问题抛过来时,我们需要先对问题进行简化,把地球变成一个点,然后逐步加入其他条件,接着提出假设,提出假设后还要做实验。  


关于电影的小问题


下面我们一起玩个小游戏,“为《流浪地球》找找茬儿”。


地球是站着跑还是躺着跑?所有发动机都在北半球,因为北半球有大陆,南半球都是海洋。我们要想跑到木星那里去,不光要让地球停转,还得先把地球放躺下。否则的话我们跑错方向了。


燕山山脉


上帝的喷灯行星发动机的高度是1.1万米,这是北京北边的燕山山脉上的长城,燕山山脉的海拔是600米~1500米,但是我们在电影看到的行星发动机感觉跟一个烽火台一样大。



云从哪来,风雪从哪来?主人公来到地面,一开门外面冰天雪地,一股风雪扑面而来。风雪从哪来的?空气里面的水蒸气是从海面蒸发上来的,但是整个地表零下80度,全部冰封,是不会有水汽的。



影片里最后出现的冲击波,说是7000马赫。1马赫是一倍声速340米/秒,7000马赫的波跑7万公里为什么用了7分钟?这么算下来这个波只有500马赫上下。


当然,这些都是为了剧情需要做出的改动,面对这些科学问题我们用“大家来找茬”的心态就好,欣赏电影艺术是一个享受的过程,不需要如此苛刻。


虽然我们现在要按文理分科,但是我们生活在一个完整的世界,我们应该面对一个科学、文化、艺术交织在一起的世界,在处理激光笔落地问题的时候用科学,在集体里面我们要讲团结友爱,不讲达尔文法则。


谢谢大家。


本文来自微信公众号:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:陈征,北京交通大学物理国家级实验教学示范中心教师。封面:《流浪地球》

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