@ 2012.10.02 , 20:20

WHAT IF: 如果大家一起射,月亮会怎样?

网漫xkcd作者、前NASA机器人专家Randall Munroe最近在他的网站上开设了一个“来信侃”的问答栏目,专门回答一些奇奇怪怪的读者来信问题,下面是该栏目的最新一期:
如果地球上所有的人都拿一个激光器,并同时将光束指向月球,那么月亮的颜色会改变吗?
——来自Peter Lipowicz的问题

如果我们用一般的激光器,月亮的颜色不会改变。

首先要考虑的是,不是所有人都可以同时看到月亮。为了解决这个问题,我们可以将所有人都集中到一起。但是,煎蛋上一次发表的研究表明:这并不是一个好主意。一片大致是上海市区那么大的土地(4000平方公里)上会热热闹闹的挤满70亿人。通信,交通,谈恋爱,社会秩序,甚至吃喝拉撒都会出现严重问题。各种各样的人会因为各种各样的原因为科学献出生命。所以,退尔求其次,这次实验,我们能让多少人参加就让多少人参加吧。这样,我们只要选一个合适的时间保证所有参加者都能看到月亮就可以了。又因为世界上75%的人口住在东经零度到东经120度的区域内,我们应该选择月亮照耀在阿拉伯海上的时候做这个实验。

该选择照射月亮的时间了,我们可以选择照射新月或者满月。相比之下,新月更暗。这样,我们的激光照上去效果更明显。但问题是,新月大部分只有在白天才能够看到。这样,激光照射的效果又不明显了。

所以我们不考虑亮度的问题了。那么最理想的时间是2012年,11月27日,美国东部时间下午两点。这时,一轮满月挂在孟买和伊斯兰堡的上空。大部分生活在亚洲,欧洲以及非洲的居民都能看到月亮,总数将近50亿人。

但是,为了能对比激光照射在月球迎光面和背光面的效果,我们还是选择一弯弦月吧。嗯……2012年12月21日,天上就有弯弦月……等等,根据玛雅人和好莱坞的传说,在那天地球毁灭发大水,所以发动几十亿人“让我们用激光照射月亮吧”似乎不太有号召力。好吧,那我们把日子定在格林尼治时间2013年1月4日零点30分。这时东亚地区是白天,而欧洲和非洲已经是晚上了。

这就是我们的目标。
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一般的激光器功率是5毫瓦。而质量好的激光器的确有能力将极光发射到月球上。只不过,激光的散射会不小。同时地球的大气层也会折射并吸收一部分激光。但大部分的激光还是能打到月球上的。

让我们假定所有人用的都是这种普通的激光发射器。同时大家都不手滑,激光能够稳稳地打到月球上并均匀的散布在月球表面。
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在格林尼治时间午夜过30分的时候,几十亿人拿起激光器,瞄准月球,按下按钮。

大家激动的看着月亮。
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坑爹啊…

这倒不难理解。日光在月球上的照射强度是每平米一千瓦出头。月球的横截面是10^13平方米。所以,太阳在月球上的照射能量总共是10^16 瓦特(10霹瓦,petawatts,PW)。平均分到50亿人头上,相当于每人2兆瓦。小小的五毫瓦激光器实在算不了什么。当然了,具体计算肯定有其它的变量,但数量级是不会错的。
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5毫瓦太小了,我们要搞就搞大一些。

能量达一瓦特的激光是非常危险的。亮瞎你的眼睛不再话下,它甚至可以灼伤皮肤,点燃物品。所以在美国,买这样的产品是违法的。

哈哈,逗你玩!实际上,花1850块钱就可以买到这样的激光器。

所以,假设我们花13万亿元为每个人配备了这样能量为一瓦特的绿光激光器。(坚决拥护这一英明决策!)令人更加感到信心十足的是,绿光处于人类可见光光谱的中部。人类对绿光更敏感。打在月亮上看起来也更亮。

激动人心的时刻再次到来。
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还是坑爹呀……

我们使用的激光器发射的光线强度大约是150流明,散布在五角分的范围内。这已经比大部分的手电筒都要亮了。但这样的光线只能给月球带来半勒克斯照度。而阳光给月球的照度是13000勒克斯。(就算所有人瞄的都很准。我们一共也只能给10%的月表面积提供六勒克斯的照度。)

此外,我们从地球上看到的“月光”是太阳光线在月球表面反射后回到地球的反射光。满月反射那130000勒克斯照度的阳光而照向地球的“月光”照度大致是一勒克斯。而那来自激光器的半勒克斯照度的光线在月球上反射后,回到地球的光线是肉眼根本无法识别的。

而且,就算是我们站在月球上向地球发射激光。用这样的激光器,照到地球上的照明也是半勒克斯,还不如那一勒克斯的月光强……怪不得看不见。

我们的激光器还是不够亮。
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在过去的10年里,锂电池和LED技术迅速发展。市场上随处可见高性能手电筒。但是很明显,手电并不能完成这项任务。所以,我们直接给每人配备一台夜太阳(Nightsun)。

这个名字可能很陌生,但是,估计你见过它在使用中的场景。它就是那种美国警察装在直升机上的探照灯。它功率很大,有50,000流明。能够将一片夜晚照亮成白天。

这种设备发出的光线宽度可调。我们把它聚焦到半度。这样,光线可以打到月亮上。

这次总应该可以了吧。

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似乎还是坑爹……啊,你把显示器前后扳一下,就能看到:真的有些效果了!我们的光线提供了20勒克斯的照度。这比月亮背光面的环境光线要强一两倍。但是,的确很难看出来。而且迎光面也没有什么变化。
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那就把夜太阳换成IMAX投影机阵列。投影机包括两个照明单元,总功率为30000瓦。光强有100万流明以上。

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还是看不清啊,唉。

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在拉斯维加斯的Luxor酒店上安装着这个世界上功率最大的探照灯。来来来,每人发一台。
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那啥,给每个探照灯都加上聚光镜。这样所有的光线都聚焦在月亮上。

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这下看得很清楚了。好!任务达成!同志们辛苦了!

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……好吧。

国防部研究已出了兆瓦级的激光发生器,目的是为了在空中摧毁来袭的导弹。

波音YAL-1是一个装设于改装的波音747上的,功率达兆瓦级的氧碘化学激光器。她发射的是红外激光。肉眼看不到。但我们可以想象我们制造了同样功率极别的可见激光发生器。来来来,每人发一台。
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我们终于能赶上阳光的亮度了。

我们用消耗电力功率是5霹瓦(petawatts,10^15瓦)这是世界平均电力消耗功率的两倍。
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恩,那让我们在亚洲的每一平米土地上都放上一台兆瓦级的激光发射器。一共有50兆台。为了给它们提供能量,我们会在2分钟内用掉地球的所有的原油储备。但是在这辉煌的两分钟内,月球是这样的。

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月亮将会像正午的阳光一样明亮。2分钟内,月表壤土会被加热至发出白炽光。
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好吧,让我们继续向不可能的世界进发。

地球上最强的人造激光出现在美国国家点火实验室。这个实验室是研究聚变反应的。这束激光是紫外线光,功率达到500特瓦(500万亿瓦,terawatts,TW)但是这束激光支持续了几纳秒,所以发射的能量只相当于燃烧一杯汽油的能量。

让我们想象,我们找到了方法发射并保持这个强度的激光器,每人发一台,向月球发射激光。不幸的是,激光的能量会立即电离大气层,让地表起火,所有人都会死掉。

但是我们假设所有激光束没有大气层,而是射到了月球上。

在这样的情况下,地球还是会起火。从月球上反射的“月光”比正午的日光明亮4000倍。地球上的海洋会在一年以内完全烤干。

诶呀,地球怎样无所谓了,月亮会怎样呢?

激光本身能对月亮产生光压,让月亮在激光发射方向上达到百万分之一个重力加速度。短期内,月球运行不会有改变。但是如果长期照射,月亮能被推出绕地轨道。

如果光压是激光对月球产生的唯一影响就好了……

40兆焦耳的能量足以让一千克的石块气化。
如果我们假设月亮上岩石的密度是每升3千克,激光的能量足够每秒让4米厚的月表岩层气化。

但是,实际上,月球上的岩石不会气化的那么快。原因是这样的:

当一大块岩石被气化,它不会消失。月球表面的石块会变成等离子体,等离子体会阻碍激光的照射。

我们的激光持续照射等离子体。能量越来越多,温度越来越高。等离子体内的粒子互相碰撞,与月表面碰撞,最后以极快的速度散逸到宇宙空间中。

这些粒子的散逸到宇宙空间的过程对月球的作用就是一个喷射发动机。月球不停的喷射着气化的石块。这种以激光照射物体让其表面物质气化散逸的过程叫激光消融,这是一种星际旅行极有前景的动力形式

月球很大,但是,石块喷射发动机会把它慢慢的推离地球。(喷射的石块气体也会把地球表面冲的干干净净,激光器什么的都会毁掉。但我们假设我们都开了春哥模式了。)月求上的等离子体也会将月表冲毁,再加上激光消融……好复杂,我们就不研究这里了,恩。

如果我们假设,粒子散逸离开等离子体的速度是每秒500公里。那么,几个月后,月亮就会被推离我们激光的射程。月亮大部分的质量还会存在,但它会跳出地球的重力影响范围,进入绕太阳运行的椭圆型轨道。

理论上,月球不会变成一个新的行星。它的轨道与地球轨道交叉,根据国际天文学联合会IAU对行星的定义,月球是和冥王星一类的矮行星。因为其轨道与地球轨道交叉,地球会对其影响,让它的轨道摄动。最终,它要么直接扎进太阳,或者被甩出太阳系,或者一头装上其他行星。很可能就是地球呢~我想,到那个时候,大家都会默默的承认:“这的确是我们自找的.”

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恩,这次能量够了。本文译自 xkcd,由译者 萝卜君 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

好长,累死妮妮了……


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