[有趣的物理学]霍金曾经想发射宇宙飞船进入半人马阿尔法。会发生什么?

2016年,霍金与尤里·米勒(Yuri Miller)、马克·扎克伯格(mark zuckerberg)等大人物一起建立了“突破星热(BreakthroughStarshot)”计划,在未来20年向半人马阿尔法(南门2)发射探测舰队。

根据该计划,他们将在地面建造一个100千兆瓦的超级激光阵列,同时向地球轨道发射1000个所谓的“纳米探测器”。

这些探测器非常小,每个质量只有几克,但它们配备了一个4米见方的超薄轻型帆。

一切就绪后,陆地上强大的激光照射光帆,在短时间内提供巨大推力,在几分钟内将其加速到光速的0.2倍(每秒60,000公里),然后在20年内到达半人马α。

“卫星摄影突破”计划设想的纳米探测器和光帆。

是不是很棒?……厉害到厉害,但是万一半人马α星真的有生命,他们看到这么一团东西飞起来会有什么感觉?让我们计算一下。

他们会看到什么?用肉眼看,探测器的主体很小,大部分是4米乘4米的光帆。

光帆一定在我们的眼睛里闪闪发光,因为即使它只吸收一点点光能,当强大的激光击中它时,它也会完全蒸发。

突破之星项目预计将产生吸收率小于10-9的超反射光帆,这将是大多数人见过的最亮的镜子(你知道,每天95%的镜子反射率是好的)。

如果半人马阿尔法周围的行星能够支持生命,它们必须遵循和我们一样的物理定律。

因为光能比其他感官媒介携带更多的信息,视觉应该对生命有很大益处。

在地球上,视觉已经诞生了许多次。95%的动物物种有视力。因此,我们可以有把握地猜测半人马α,如果文明的话,几乎肯定会有某种形式的视觉。

特定的视野范围取决于恒星的光线。

与太阳相比,半人马α的三颗恒星总体上稍微偏红,但差别并不太大,所以它们的视野距离我们并不太远。

半人马α星甲、乙、丙(比邻星)与太阳的比较。

总之,我们可以推测,在天文学家眼中,我们眼中闪亮的风帆也是一样的。

这带来了一个严重的问题:他们可能无法准确估计这些探测器的尺寸。

我们如何知道天体的大小?几乎一直以来,遥远的天体只是望远镜中的一个光点。像看日常物品一样直接看尺寸是不可能的。

早年衡量尺寸的一个重要标准是看它有多亮——东西越亮,反射面积越大,尺寸就应该越大。

显然,这种方法有严重的缺陷:我们不知道它的反射率。

然而,自然物体的反射率在相同的范围内,误差不会太大。

(那时,正是因为反射率,我们高估了冥王星的大小。

但这不适合我们的探测器。

它不是传统的小行星,而是反射率接近100%的平面。

如果半人马阿尔法天文学家没有足够好的观察能力,他们可能会将探测器视为估计其大小的典型小行星。

常规小行星的反照率通常在0.05和0.3之间,因此根据亮度,它们将认为它是一颗直径约为10米、重量约为1,000吨的小行星(小行星的密度一般假定为约2,000千克/立方米)。

然后,有1000颗这样的小行星,每颗都以0.2倍光速疾驰…呵呵。

他们认为会发生什么?直径10米的小行星本身并不大。

即使它以60公里/秒的速度撞击(这是一颗非常快的小行星,绕太阳运行最快的天体不能超过72公里/秒),它也无法脱离一个严重的陨石坑,这充其量相当于通古斯卡爆炸。

即使将1000人加在一起,这也只是一场区域性灾难,不会对全球文明产生根本性影响。

问题是这些“小行星”不是60公里/秒,而是60,000公里/秒。

速度增加了1000倍,能量增加了100万倍。

这一堆小行星的总能量可以达到10 24焦耳,或相当于10 14吨梯恩梯,即使不考虑相对论效应(对于0.2摄氏度,它也不会影响数量级)。

当然,这种能量不足以毁灭这个星球,但它相当于毁灭恐龙的奇虚鲁伯小行星撞击的总能量。

虽然它们撞击目标行星的概率实际上很小,但毕竟有1000颗!即使千分之一的奇克斯卢博人也会导致至少一轮全球气候波动。

更可怕的是这场危机带来的心理冲击。

如果我们看到世界末日即将来临,我们会怎么做?恐怕不能照常营业。

在真正的影响到来之前,绝望和恐慌完全有可能摧毁社会秩序,导致文明范围的大幅度下降。

想出任何奇怪的邪教都是完全可能的…还有一个更大的潜在威胁,但这个威胁将在这里出售,并将在下一节中讨论。

到底发生了什么?假设他们没有被绝望摧毁,而是顽强地活到了小行星到来的那一天,那应该是一个错误的警报。事实上,这些探测器中的每一个都只有几克,如果它落到地面上,最多只会摧毁一朵花和一片草,而这不会造成任何气候变化。等等。

以相对速度运动的宏观物体在太和空中运动并不重要,因此与其他物质接触是有问题的。

例如,如果它在大气中运动,它可以使前方的空气体进行核聚变。

是的,你是对的,核聚变。

核聚变的基本原理是让两个轻原子碰撞成一个更重的原子(但通常不比铁重)。

地球物理学家主要致力于氢原子的融合,但是除了氢还有许多融合方法。

常见的大气元素只有碳氢化合物、氧、氮和硫,所有这些都具有聚变潜力。

在正常情况下空气体不会熔化(如果是这样,我们就不需要开发聚变反应堆…因为我们都死了),因为原子核带正电,相互排斥。

为了融合原子,我们需要使用原子弹、磁场或激光将它们硬压到一个小区域,并迫使它们接触。

但是现在我们有了一架0.2c的飞机,这不成问题——它飞得如此之快,以至于它前面的气体几乎以每秒数百米和数千米的速度静止不动。

他们没有时间逃跑,被迫一起进行核聚变。

在这种情况下,流体力学根本不重要。

xkcd的作者兰德尔·门罗(RandallMonroe)实际上在子系列《假设》中描述了一个类似的场景:当棒球在0.9摄氏度时会发生什么?结果如下。

这些核聚变会产生多少能量?几乎不可能计算,建模也足够困难。此外,我们不知道目标行星表面的大气状况。

但是有一点是肯定的,这将产生大量的伽马射线,它将撞击周围的空气体并电离它,从而形成一个膨胀的等离子体球体,同时扩散并产生更多的辐射。

融合力也会在探测器上产生反向推力,但在0.2c前,这种力不值得一提

然而,它们将剥去探测器的表面,并吹出许多微小的碎片,这些碎片将继续以0.2c的速度移动,并导致更多的融合。

很难计算探测器到达表面时会是什么样子(如果大气厚度是100千米,到达表面只需要1毫秒)。

也许它已经解体了,但没关系,它是一块碎片,和一个大等离子球一起坠落在地上。

因为总质量太低,我们可能看不到大的坑,但是伽马射线和x射线在这个过程中不是为了好玩。

有可能周围几公里甚至几十公里的生物已经被伽马射线消灭了。

换句话说,和挨了一个中子弹没有太大的区别。换句话说,这和获得中子弹没什么不同。

即使他们中只有一人落在目标星球上,这也将是一场震惊全世界的暴行,他们已经知道有1000件这样的武器向他们袭来。

这场致命的外交事故将如何影响两球关系?我无法想象。

毕竟,发射这种航天器并没有不可逾越的技术差距。

如果他们奋起发展科技并决定报复…霍金,你会毁了我们所有人。

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