摧毁一颗行星需要多少能量?

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  在老版本《星球大战》中,帝国总会不惜启用它们的究极武器死星,来对付一些“不听话”的行星。死星从附近的恒星吸收能量,然后释放出一束无比强大的射线,就能将一颗行星炸得灰飞烟灭。后来,帝国的“继承者”第一秩序又对死星进行了改进,使其能够一次性摧毁多颗行星,可谓“威力加强版”。在最新上映的《星球大战:天行者崛起》中,更是连歼星舰都能够发射摧毁行星的光束,让人不由感叹帝国君主们对黑科技的狂热。相信各位也曾思考过,大反派们炸毁一颗行星到底需要多少能量呢?

行星爆炸的视频分析


  要分析帝国舰队摧毁一颗行星需要多少能量,我们首先要通过视频分析,估算出行星爆炸后碎片进入太空的速度。第一步是从电影里挑出特定片段,根据视频每一帧来映射它们的位置。这个位置是用像素来测量的,但是我们可以将其缩放到场景中一个已知的对象上,从而转换成距离。
  然后我们可以从帧速率中得到时间数据,在这种情况下是每秒24帧。假设场景是以正常速度拍摄的,即不是慢动作拍摄,那每一帧就代表124秒。有了位置和时间数据,我们就可以计算速度了。为了修正距离比例,研究主体将借用被帝国歼星舰光束摧毁的行星——奇基米星。这个星球有多大?假设它的半径是1k,则K =奇基米星的半径。
  但此举只能测量物体垂直于摄像机(即画面平面)移动的速度,因为假设有一大塊碎片朝摄像机的方向斜着飞来,那么在每一帧中,它都会稍微向一侧移动,从而变得稍微大一些。但如果只画出该碎片的像素位置,就会低估它经过的距离和速度。考虑到这一点,可以挑选三块碎片,当它们从行星的边缘开始以不同的方向向外扩散时,跟踪应用程序将给出碎片的行进距离(从行星中心测量的每个物体的径向位置)与时间的关系图。
  通过观察得知,碎片基本呈直线运动,每条直线的斜率(位置变化时间变化)是径向速度,单位是Ks。绿色和蓝色物体的速度非常相似,大
  约是0.3Ks;红色物体开始是0.24Ks,然后下降到0.08Ks。在后来的一张照片中也观察到了一些碎片,发现它们的速度大约是0.4Ks。因为不同的物体以不同的速度运动,所以可以用0.3Ks作为一个粗略的平均值。
  跟踪应用程序随后给出了碎片行进距离(从行星中心测量的每个物体的径向位置)与时间的关系图。
  是快还是慢?这取决于K(奇基米星的半径)的值,如果这个行星和地球一样大,那么K就是637万米,用这一数值来转换速度单位,得到的行星碎片速度就是每秒190万米,这一速度非常快,但仍然只是光速(3亿米/秒)的0.6%。
  当然,如果行星的半径大于地球半径,那碎片速度会更高。但这可能吗?要知道在太阳系中,地球是最大的岩石行星,人类和动物可以在上面行走。像木星这样的行星虽然比地球大得多,但它们没有结实的岩石表面,因此在爆炸时不会喷射出岩石碎片。
跟踪应用程序随后给出了碎片行进距离(从行星中心测量的每个物体的径向位置)与时间的关系图

  在太阳系之外,大多数已知的系外行星都是像木星这样的气态巨行星,它们的密度很低,表明并非由岩石构成。科学家也发现了一些类地行星,其中最大的一颗是开普勒-20b,其半径是地球的1.87倍。以这个尺度来测量视频,计算得到的碎片速度可达每秒350万米——仍然远低于光速。

摧毁一颗行星需要多少能量?


  要回答这个问题,需要假设这颗行星和地球一样大,半径为 637万米,质量也和地球差不多,为5.972×10^24 kg,并假设密度是均匀的。然后假设所有的行星碎片都以50万米/秒的平均速度被抛出。这比视频测量结果慢多了,为什么要降低速度呢?因为视频中追踪到的可能是最快的碎片,处于爆炸的前沿。
  根据这一平均速度,可以计算出爆炸的总能量,即所有飞行碎片的动能K,(这里的K并非行星半径,而是指所有飞行碎片的动能)。这一总动能是m(行星的总质量)和v(碎片运动的平均速度)的函数:K=?mv2。利用地球的质量对碎片速度进行的保守估计(50万米/秒),可以得到总能量=7.465×1035焦耳。
  如果能量以焦耳为单位,时间以秒为单位,那么功率的单位就是瓦特。通过视频,可以估算出歼星舰把所有这些能量送到地球上所需要的时间大约为10秒。
  在10秒的时间内,能量变化是7×1035焦耳,这就意味着功率是7×1034瓦。假如你可以在太阳周围装上一个巨大的球形太阳能电池板,就像戴森球一样,那么太阳的总输出功率将是3.8×1026瓦。
  这意味着歼星舰的武器比太阳还要强大1亿倍,最终秩序的星际飞船装载着数以亿计个太阳的能量……让我们对敢于反击帝国的抵抗组织致敬!
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