问题

流浪地球中,地球被推出太阳系后,月亮怎么样了?

回答
《流浪地球》系列电影中,关于地球被推出太阳系后月亮的情况,虽然没有在剧情中给予极其详尽的描写,但通过影片的设定和一些蛛丝马迹,我们可以推断出月亮经历的巨大变迁。这不仅仅是月亮绕着地球转那么简单,而是整个月球系统的命运都被彻底改写了。

首先,最直接的影响就是月球轨道的变化。电影设定地球获得了强大的行星发动机推力,以每秒0.1公里左右的速度(第一部中提及)离开太阳系。这是一个极其巨大的速度,而且是持续的。在这种情况下,原本围绕地球运转的月球,其轨道自然也会发生剧烈的变化。

你可以想象一下,月球就像一个挂在绳子上的球,而地球就是拉着绳子的手。当这只手突然开始朝着一个完全相反的方向,以惊人的速度移动时,那根绳子(地球引力)就需要付出巨大的努力去维持月球的相对位置。然而,地球的推力是如此之大,以至于它会带着月球一起“跑”。

所以,月球并非像自由落体那样脱离地球的引力范围,而是与地球一同加速前进,并继续在地球引力的作用下围绕着地球公转。只不过,这个公转的“轨道”本身已经不再是一个稳定的椭圆形,而是随着地球整体的运动,呈现出一种更为复杂和动态的轨迹。可以理解为,月球在地球的强大引力牵引下,仍然沿着一个近似的椭圆轨道绕着地球转,但这个“圆心”(地球)却在以惊人的速度向前移动。

因此,我们可以推断,月球并没有被甩出去,也没有撞向地球(至少在已知剧情里没有发生)。它仍然是地球的卫星,只是它的“家”(太阳系)已经彻底变了。

接下来,我们来看看月球可能发生的物理和环境上的变化:

1. 潮汐力的改变:月球对地球的潮汐力是其最显著的影响之一。当地球离开太阳系,并朝着陌生的星际空间进发时,月球仍然会对其施加潮汐力。但这种潮汐力作用的对象,是那个正在不断移动的巨大行星。地球表面的海洋会继续受到月球引力的影响而涨落,但这会与地球自身发动机产生的震动和地球形状的变化相互作用,形成一种前所未有的复杂潮汐现象。
想象一下,你站在一个高速前进的火车上,然后有人在用绳子拉着你甩动。虽然你还在绕着那个甩动的人转,但整个运动的背景已经完全不同了。
更具体地说,地球发动机产生的巨大能量和震动,本身就可能已经改变了地球的内部结构和地表形态。在这种前提下,月球的潮汐力可能会对已经很不稳定的地壳产生更为剧烈的反应。

2. 月球自身的“生命”:在电影中,月球是人类在地球离开太阳系过程中遭受灾难的牺牲品之一。电影中暗示了月球表面已经被人类进行了大规模的开发和改造,甚至可能存在大量的地下基地和工程设施。
例如,在第一部中,我们看到了月球表面被挖空,用于建造巨大的行星发动机。这说明月球已经不再是那个我们熟悉的、充满陨石坑的天然卫星,而是被人类大规模地工程化了。
推测一下,如果月球的矿产资源被大量开采,其质量和结构是否会发生变化?如果进行了大量的地下工程,其内部结构是否变得更脆弱?
在地球加速前进的过程中,月球也会承受巨大的惯性力。虽然地球的引力足够强大,但如果月球本身经历了如此剧烈的改造,其结构稳定性是否会受到影响?
有科学家(例如在电影中出现的“吴京”扮演的角色刘培强所说的,虽然是假设)提到,月球可能已经被掏空,作为燃料仓。如果真是如此,那么月球的质量和物理结构都发生了根本性改变,它更像是一个被改造成人造卫星的岩石球。

3. 视觉上的变化:在离开太阳系后,地球将再也看不到太阳的光芒,取而代之的是遥远而黯淡的星光。而月亮,作为地球唯一的天然卫星,它的视角也会发生剧变。
在太空中,月亮会继续围绕地球运转。站在地球上(如果还能站稳的话),我们看到的月亮,不再是那个在太阳光辉下皎洁的明月,而是可能在星光下反射着微弱光芒的、同样孤寂的星球。
如果月球表面被人类改造得面目全非,比如布满了巨大的行星发动机,那么从地球上看去,月亮的面貌也必将是人类工程的痕迹而非自然的风貌。

4. 月球的“孤独”:最深刻的变化,或许是月球在宇宙中的位置和它的“身份”。它不再是围绕着一颗位于太阳系的行星运转的卫星,而是围绕着一颗在黑暗、寒冷、未知的星际空间中艰难跋涉的行星运转的“伙伴”。它和地球一起,共同面对着无垠的黑暗和未知的危险。它不再是那个属于“家园”的明亮月亮,而是与地球一道,流浪在宇宙中的另一块巨石。

总而言之,《流浪地球》中的月亮,不是一个被遗弃的孤儿,而是与地球生死相依的“战友”。它伴随着地球一起加速、一起前进,承受着宇宙的浩瀚和未知的考验。它可能已经不再是我们在夜晚仰望的那个天然的、美丽的月亮,而是被人类文明改造过,带着地球共同流浪的,一个更加复杂的存在。它继续在地球的引力束缚下,上演着一场宏大而悲壮的太空芭蕾。

网友意见

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评论中有部分人不太理解这个脑洞,所以增补一下一些内容,放在最后

原答案

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终于有人提月亮了,正好说一下一个想法:行星发动机放在月球上更好

电影虽然被吐槽科幻不够硬,但是这个设定的核心亮点是“带着地球流浪”这样一个浪漫主义意象,所以如果接受原作这个核心设定和其他基本技术设定的话,流浪地球计划也许有更好的实现方式。

电影中的行星发动机放在地壳上,有这样几个问题,一是地壳会被推移甚至下沉,造成地质运动或发动机失效;二是大气层中的行星发动机会大量的吹走大气,相当于射流泵,既损失了大气又降低了推力,大大降低了机械效率;三是影片里发动机必须布置于地面,对发动机的布置限制比较大,不能实现更好的动力分布

如果将发动机布置于月球,通过月球与地球的引力间接牵引地球移动,则能大大改善以上几个问题:1、月球是个实心球,地质稳定;2、月球没有大气,引擎工质可以有效的喷射;3、月球的石头烧了不心疼,在地球上至少要烧地壳质量的40%,到了目的地,家园也会变的面目全非;4、引力牵引方式下,地球受力相对均匀,不易造成更大的连带伤害;5、月球表面布置发动机的选址相对自由,可以布置效率更好的发动机阵列;6、月球在前方领航能大大降低地球遭遇小天体撞击的风险,甚至如果能预计氦闪时机,可以让月球转过去挡一下;7、面向地球的一面可以为地球提供稳定的照明条件和通讯条件

当然,这种方案也会带来一些负面效果,例如:1、月球上建设工程设备的困难;2、牵引系统惯量加大,转向速度等动态性能下降较多。但以片中展现的技术能力,这两个问题还不算特别大,就算是开一个同人脑洞吧。



增补内容:对评论中出现的各类问题做个Q&A

Q1:月球质量小,拉不动地球

A1:月球质量大约是地球的1/81或1.23%,地月之间的当前引力为

给地球带来的加速度是

而流浪地球计划对地球加速能力的需求是500年内加速到0.04c,也就是说目标加速度是

这两者是同一数量级的,只要地月距离略做调整,就能提供足够大的牵引力,实现目标加速度(当然,也要控制地月连线的方向),新的地月质心距应为

也就是地月距离只需要缩小三分之一,地月引力就足够满足流浪地球计划的需求

Q2:月球不够烧

A2:月球质量约为地壳质量的三倍,如果月球都不够烧,那么地壳也不够烧

Q3:月球建设发动机难度大

A3:月球建设发动机的难度在于运输物料上去,而月球环境的地质稳定、重力加速度小、环境复杂度、选址限制等条件都对建设大功率发动机有利,而且原作中月球发动机的建设完成时间还早于地表发动机,可以认为在原作的技术水平下,月球发动机不存在大的技术障碍

Q4:太阳引力比月球引力大,拉不走地球

A4:与太阳引力直接对抗是效率最低的方法,实际上都是保持牵引力与太阳引力正交的方式进行轨道加速,逐渐提高轨道能量,直至离开太阳系。

Q5:月球开路,那么发动机会喷向地球

A5:地月距离按上面计算约为25万多公里,在这个距离上,从月球看地球只是一个小圆盘,视张角只有3.3°,那么多发动机非要对着这3.3°的小角度喷射吗?喷流速度估计大约是光速的百分之几,远超地球逃逸速度,只要喷流偏角稍微超出3.3°,就不容易被地球俘获。

Q6:月球停止公转,一旦发动机故障则地月大冲撞,风险大

A6:可以估算出在月球发动机全部失效的情况下,地月冲撞发生需要用时

也就是说,即使全部发动机一起失效,也比片中经过木星加速时的事故有更多处理时间。

第二,发动机数量只要不太少,随机故障导致全灭的概率就会很低,指数量级的低

第三,发动机总推力肯定要有动力冗余,以应对定期维护的需求。

最后,可以给月球保留部分指向地月连线的角动量,这样即使月球发动机全灭,也可以避免地月直接冲撞。(这个不太好想象,可以理解为以地球为参照物,地月连线绕着地球前进轴线扫一个圆锥面这样的运动,实际上月球走一个螺旋线前进,这样在发动机全灭的情况下,月球绕地球的轨迹变成椭圆,控制参数让其半短轴仍大于地月洛希极限即可)

Q7:地球没有了发动机,怎么供应能量供人生存?

A7:不需要提供推力的聚变堆能提供更多能源给民生,另外,月球发动机的巨大辉光可以为整个半球提供充足的照明能力,甚至能保留地面农业

Q8:三体问题怎么办?

A8:三体问题不可解是指不能对非确定初值给出解析解,数值解是可以解算的,而且可以很精确。另外,如果俘获多个小行星/卫星/彗星作为后备资源的话,可以放在地月拉格朗日点上,配合少量发动机维持位置和转移位置。

Q9:月球是空心的!

A9:都9012年了,多看点物理书,少看地摊文学......

Q10:答主物理没学过/初中没毕业/高中不及格

A10:对对对,你高兴就好

Q11:地球和月球不会越来越远吗?

A11:地球受月球的引力,月球受地球的引力和发动机的推力,通过控制发动机推力可以改变月球与地球的相对位置,从而控制地球受到的牵引力,只要对月球和地球的相对速度、相对加速度、相对位置三个参数进行闭环控制即可,简单的二阶系统,惯量还巨大,特征频率极低,从控制原理的角度来说难度并不高。

Q12:为什么没把太阳拉走

A12:因为不需要,所以我们的加速度超过太阳就把太阳甩在身后了,如果需要带走太阳的话同样的原理确实可以拉走,甚至是在相当长的未来内唯一可行的摄动恒星的办法,略微具体来说是这样的:

建设超大型反射板,将一部分太阳辐射定向反射,同时控制反射板受到的引力与恒星风平衡,这样就能驾着太阳风执行“流浪太阳”计划了

Q13:月球在发动机推力和引力作用下如何保持稳定?特别是发动机阵列的推力可能无法严格平衡对质心的力矩

A13:这是一个好一些的问题,第一,月球-发动机-地球 这个动力系统的惯量非常大,推力无需时时刻刻都严格平衡,只要通过闭环控制保持动态稳定即可;第二,月球可以通过携带绕地月轴线的角动量,非平衡力矩会引起进动,进一步提高指向稳定性

这个系统的惯量很大,这么说可能不太直观,我们计算一下极端情况,即月球发动机大部分故障,所有推力集中于一点,推力作用线与月面相切(即所有推力都用来转动月球),在这种情况下,月球会获得的角加速度为

以这个角加速度持续推动月球转动一天,获得的角速度也不过0.0008rad/s,这么低的动态,即使手动调整推力平衡或者稍微带一点自旋角动量也不会让指向轴偏移多少

Q14:月球上没氧气,怎么烧?

A14:地球上的发动机也不用氧气,原作的设定是重聚变技术(唉,还要解释这种问题……

Q15:月球牵引转向太慢,怎么破

A15:此方案采用持续加速,以螺线离开太阳系,不用引力弹弓,无需快速转向,对转向能力的最高要求是能用一年掉头即可(在轨迹的开始阶段)此后对转向能力要求就更低了

Q16:在A6中提到的最后一点,月球和地球的轨迹是什么样的?

A16:等我有空的时候会画个图来解释

Q17:月球越烧越小,引力会不会不足

A17:如果按原作的设定,烧地壳可以完成加速和减速,那么换成烧质量三倍于地壳的月球,在完成刹车时也会保留60%以上的质量,只需随着旅程逐渐降低地月距离即可保持对地球的牵引力不变,最终的距离(按月球剩余60%质量计算)也有20万公里,与旅途开始时没质的改变。

Q18:降低地月距离会不会让地球或者月球表面潮汐力太大

A18:地球的刚体洛希极限半径约19Mm,远小于方案中的地月距离255Mm,不会影响月球稳定性。地球表面月球的引潮力会增加127%,小场面,影响不大,远比地球发动机刹车影响小。

Q19:月球越烧越小不会影响月球地质稳定吗?发动机会大量故障吧?

A19:按照原作的聚变技术设定,烧月球至少能剩下70%左右的质量,而月球地质稳定,可以将发动机集群相对集中布置于一片直径数百到上千公里的范围内,而燃料则从剩余的面积上挖掘,在烧掉30%的月球质量之后可以仍然大致保持球形,这个小球与原来的大球在发动机阵地处相切即可,没必要在月球上挖的千疮百孔奇形怪状,或者是非要去挖发动机基础。

实际上,这样的建设和挖掘方式也是比较节省工程量的。

Q20:月球发动机还要给地球提供照明?是要取代太阳吗?功率够吗?

A20:假设整个加速阶段需要消耗地壳质量的40%(按 @刘博洋 的估算)那么发动机的总功率大约是[1/2x6E24x0.4%x40%x((1-0.4x40%)x0.004c/(40%x0.4%))^2+1/2x6E24x(1-0.4%x40%)X(0.004c)^2]/(500x365x24x3600)=1.7E28W

(没用相对论动能,因为……不影响结论)

(即使用功率的下限,也就是全部功率都用来加速地球,那么也有2.7E26W,同样不影响结论)

而太阳总辐射功率仅为3.9E23W,地球只接收到了其中1/2200000000,约1.8E14W ,也就是说在地球发动机开启的那一瞬间,地球就是全太阳系最亮的星,远远超过太阳的亮度(大概亮出十万倍左右吧),地球不仅不会冷,而且还会热爆了……这也是原作的一个设定bug,为了讲故事也只能选择性忽视了

所以,别担心什么发动机宕机/月球坠落/撞到小行星/撞到木星这种小场面小风险了,这么厉害的喷流别说照明了,一不小心扫到地球,等于掉了十万个太阳在地上……就再也没有痛苦、饥饿和寒冷了

看到这里,大家应该知道2500年带走地球到比邻星是物理上不可能的了,不过大家可以考虑一下什么样的参数才能让这个航程更合理一些

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改造成飞船。

装上了行星发动机,垂直黄道面,浪去了呗。

比起新建一个大型自循环飞船,月球的成本和效果无疑最有优势。

火种计划相较月球飞船计划,优先级可能还低。作为人类自救,月球及其深空计划应该是人类一个可选的优势方案。

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