天文科普:摧毀一顆行星需要多少能量?
來(lái)源:新浪科技
發(fā)布時(shí)間:2020-05-08
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在《星球大戰(zhàn):天行者崛起》中,一艘緒斯同級(jí)殲星艦從太空發(fā)射了一束超級(jí)強(qiáng)大的光束,炸毀了奇基米星  在《星球大戰(zhàn):天行者崛起》中,一艘緒斯同級(jí)殲星艦從太空發(fā)射了一束超級(jí)強(qiáng)大的光束,炸毀了奇基米星

  新浪科技訊 北京時(shí)間5月8日消息,據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,從奧德朗星(Alderaan)到奇基米星(Kijimi),西斯的君主們顯然很喜歡把行星炸成碎片。那么,《星球大戰(zhàn)》里的末日武器究竟有多強(qiáng)大呢?

  在電影《星球大戰(zhàn):天行者崛起》中,最終秩序想給銀河系里的每個(gè)人一個(gè)教訓(xùn)。于是,在銀河皇帝帕爾帕廷的命令下,一艘緒斯同級(jí)殲星艦從太空發(fā)射了一束超級(jí)強(qiáng)大的光束,炸毀了奇基米星。

  你是否也在想:炸毀一顆行星需要多少能量?當(dāng)然,這只是一個(gè)學(xué)術(shù)問(wèn)題,即使并不真實(shí),但計(jì)算起來(lái)仍然很有意思。

  行星爆炸的視頻分析

  首先,我們需要估算行星炸開(kāi)后其碎片進(jìn)入太空的速度。我們可以通過(guò)跟蹤視頻分析應(yīng)用程序做到這一點(diǎn)。具體的想法是,先從電影中挑選出一些特定的片段,然后在視頻的每一幀中映射它們的位置。

  這個(gè)位置是用像素來(lái)測(cè)量的,但是我們可以將其縮放到場(chǎng)景中一個(gè)已知的對(duì)象上,從而轉(zhuǎn)換成距離。然后,我們可以從幀速率中得到時(shí)間數(shù)據(jù),在這種情況下是每秒24幀。假設(shè)場(chǎng)景是以正常速度拍攝的(即不是慢動(dòng)作),那每一幀就代表1/24秒。有了位置和時(shí)間數(shù)據(jù),我們就可以計(jì)算速度了。

  為了修正距離比例,這里將使用奇基米星本身的大小。這個(gè)星球有多大?誰(shuí)也不知道,我們假設(shè)它的半徑是1k,其中K =奇基米星的半徑。是的,用我們正在測(cè)量的東西來(lái)定義單位看起來(lái)很傻,但其實(shí)在科學(xué)中一直都是這么做的(在人們知道地球到太陽(yáng)的實(shí)際距離之前,該距離被設(shè)定為1個(gè)“天文單位”)。

  還有一個(gè)問(wèn)題。我們只能測(cè)量物體垂直于攝像機(jī)(即畫(huà)面平面)移動(dòng)的速度。為什么?假設(shè)有一大塊碎片朝攝像機(jī)的方向斜著飛來(lái),那么在每一幀中,它會(huì)稍微向一側(cè)移動(dòng),從而變得稍微大一些。但如果只畫(huà)出該碎片的像素位置,就會(huì)低估它經(jīng)過(guò)的距離和速度。

  考慮到這一點(diǎn),我們可以挑選三塊碎片,它們從行星的邊緣(如攝像機(jī)中所看到的)開(kāi)始以不同的方向向外擴(kuò)散。跟蹤應(yīng)用程序隨后給出了碎片行進(jìn)距離(從行星中心測(cè)量的每個(gè)物體的徑向位置)與時(shí)間的關(guān)系圖。

  可以看到,它們基本上都是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),每條直線(xiàn)的斜率(位置變化/時(shí)間變化)是徑向速度,單位是K/s。綠色和藍(lán)色物體的速度非常相似,大約是0.3K/s;紅色物體開(kāi)始是0.24K/s然后下降到0.08K/s。這可能是軟件的誤差;當(dāng)一堆東西在周?chē)鷣y飛時(shí),很難在視野中追蹤物體。在后來(lái)的一張照片中也觀察到了一些碎片,發(fā)現(xiàn)它們的速度大約是0.4K/s。因?yàn)椴煌奈矬w以不同的速度運(yùn)動(dòng),所以可以用0.3K/s作為一個(gè)粗略的平均值。

跟蹤應(yīng)用程序隨后給出了碎片行進(jìn)距離(從行星中心測(cè)量的每個(gè)物體的徑向位置)與時(shí)間的關(guān)系圖跟蹤應(yīng)用程序隨后給出了碎片行進(jìn)距離(從行星中心測(cè)量的每個(gè)物體的徑向位置)與時(shí)間的關(guān)系圖

  是快還是慢?這取決于K的值,如果這個(gè)行星和地球一樣大,那么K就是637萬(wàn)米。用這個(gè)來(lái)轉(zhuǎn)換速度單位,得到的行星碎片速度就是每秒190萬(wàn)米。這是超級(jí)快的速度,但仍然只是光速(3億米/秒)的0.6%(這是好事,因?yàn)楫?dāng)物體接近光速時(shí)會(huì)發(fā)生奇怪的事情)。

  當(dāng)然,如果行星的半徑大于地球半徑,那碎片速度會(huì)更高。這可能嗎?在我們的太陽(yáng)系中,地球是最大的巖石行星,人們可以在上面行走。像木星這樣的行星要大得多,但它們沒(méi)有一個(gè)結(jié)實(shí)的巖石表面,因此在它們爆炸時(shí)不會(huì)噴射出巖石碎片。

  在太陽(yáng)系之外,大多數(shù)已知的系外行星是像木星這樣的氣態(tài)巨行星,它們的密度很低,表明并非由巖石構(gòu)成。不過(guò),科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了一些類(lèi)地行星。其中最大的一顆是開(kāi)普勒-20b(Kepler-20b),其半徑是地球的1.87倍。以這個(gè)尺度來(lái)測(cè)量視頻,計(jì)算得到的碎片速度可達(dá)350萬(wàn)米/秒——仍然遠(yuǎn)低于光速。

  這需要多少能量?

  現(xiàn)在我們可以回答你的問(wèn)題了。讓我們從三個(gè)粗略的近似值開(kāi)始。假設(shè)這顆行星和地球一樣大,半徑為637萬(wàn)米。我們也用地球的質(zhì)量,5.972×10^24 kg,并假設(shè)密度是均勻的(當(dāng)然實(shí)際并非如此)。

  最后,我們假設(shè)所有的行星碎片都以50萬(wàn)米/秒的平均速度被拋出。這比視頻測(cè)量結(jié)果慢多了。為什么要降低速度呢?因?yàn)橐曨l中追蹤到的可能是最快的碎片,處于爆炸的前沿。

  根據(jù)這個(gè)平均速度估計(jì),現(xiàn)在可以計(jì)算出爆炸的總能量,即所有飛行碎片的動(dòng)能(K)(抱歉,這里用K來(lái)表示兩種不同的東西)。這個(gè)總動(dòng)能是m(行星的總質(zhì)量)和v(碎片運(yùn)動(dòng)的平均速度)的函數(shù):

  利用地球的質(zhì)量和對(duì)碎片速度的較低估計(jì)(50萬(wàn)米/秒),可以得到7.465×10^35焦耳的能量。舉個(gè)例子,如果你從地板上抓起一本物理課本放在桌子上,那需要10焦耳的能量。想象一下,就在10后面加上35個(gè)0……這的確是一個(gè)很大的數(shù)字。

  殲星艦的武器有多強(qiáng)大?

  功率的定義是能量變化的速率,用公式表達(dá)即:

  如果能量以焦耳為單位,時(shí)間以秒為單位,那么功率的單位就是瓦特。所以讓我們回顧一下視頻,估計(jì)一下殲星艦把所有這些能量送到地球上所需要的時(shí)間。在這里,假設(shè)時(shí)間間隔大約為10秒。

  順便說(shuō)一下,這并不是激光武器,盡管Wookieepedia(一個(gè)提供《星球大戰(zhàn)》虛構(gòu)世界信息的網(wǎng)絡(luò)百科全書(shū))稱(chēng)它為“超級(jí)激光”。但如果是激光,那它將是隱形的。你可以在地球上看到激光束,因?yàn)楣饩€(xiàn)會(huì)被灰塵粒子和其他東西反射,而在太空中,不會(huì)有任何東西散射光束,因此也不會(huì)有任何東西進(jìn)入你的眼睛。你只會(huì)看到星球突然爆炸。

  不管怎樣,在10秒的時(shí)間內(nèi),能量變化是7 x 10^35焦耳,這就意味著功率是7 x 10^34瓦。

  作為比較,你可以想象自己能利用所有來(lái)自太陽(yáng)的輻射。這將是相當(dāng)困難的,因?yàn)樘?yáng)向各個(gè)方向發(fā)光。你得在太陽(yáng)周?chē)b上一個(gè)巨大的球形太陽(yáng)能電池板,就像戴森球一樣。假設(shè)你可以做到,那么太陽(yáng)的總輸出功率將是3.8 x 10^26瓦。

  沒(méi)錯(cuò),這意味著殲星艦的武器比我們的太陽(yáng)還要強(qiáng)大1億倍(10^8倍)。換句話(huà)說(shuō),最終秩序的那些星際飛船擁有數(shù)以?xún)|計(jì)個(gè)太陽(yáng)的能量。這確實(shí)是一個(gè)令人生畏的對(duì)手。但你知道漢·索羅會(huì)說(shuō)什么嗎?“永遠(yuǎn)別跟我說(shuō)幾率?!保ㄈ翁欤?br>
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