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人类有可能炸掉月亮吗？需要多少颗核弹？

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-09-23 12:11

正文

电影《流浪地球 2》中，人类炸掉了月球，甚至美俄专家曾一度幻想过炸掉月球。那么，炸掉月球需要多少核弹，会发生什么？真的会引发核聚变吗？

我们先来看看炸碎月球究竟需要多少能量？

在电影里，之所以要炸月球，是因为月球即将落入洛希极限，然后撞击地球，毁掉人类文明。

但从模拟图，我们可以看出，要让人类足够的安全。最合理的爆炸位置，是在月球内侧且非正对地球的方向，爆炸后，给月球碎片施加一个向外的冲击力。

月球爆炸时，宇航员视角看到的地球是这样的：

这也能看出，的确在偏月球内侧的位置。

所以要让地球足够安全，除了要炸碎月球外，还需要月球碎片飞出地球引力范围。如果只是单纯的引爆，即便1/100的碎片掉落地球，也是73.5亿亿吨，相当于毁灭恐龙小行星质量的7万多倍，同样足以让地球生命大灭绝N次，彻底摧毁地球文明。

最安全的做法是，炸碎且炸飞月球，让月球碎片从地球轨道逃逸，飞入太阳轨道。

这个逃逸速度有多少，我们需要看看月球爆炸时，与地球的距离有多少。

电影里，要在月球坠入洛希极限之前炸毁。

那么地球对月亮的洛希极限在哪里？

当一个天体进入中心天体的引力范围，由于它各个部位与中心天体重心距离不同，所以会产生引力差，这便是潮汐力。月球引力导致的地球涨潮便是典型的潮汐力。

当潮汐力刚好能破坏天体结构的极限距离，便被称为洛希极限。

洛希极限分成刚体洛希极限和流体洛希极限。

不同结构的卫星，洛希极限距离有所不同

当一个天体像刚体那样，在引力下不会发生形变，那么它的洛希极限就是刚体洛希极限。

符合公式：

当一个天体像流体那样，在引力下会发生形变，那么它的洛希极限就是流体洛希极限。

符合公式：

两个公式中，ρ_M为中心天体密度， ρ_m为卫星密度， R为中心天体半径。

月球和其它大多数卫星一样，既不是刚体也不是流体，它的洛希极限在地球流体洛希极限和刚体洛希极限之间。

一个卫星穿过洛希极限，被潮汐力撕碎的过程

地球半径为6378km，平均密度5513kg/m³，月球平均密度为3346kg/m³。

易得，月球的刚体洛希极限为：9492km，流体洛希极限为：18381km。

也即月球的洛希极限在9492~18381km之间。

如果取个平均值的话，真实洛希极限在14000km附近。

要在坠落洛希极限之前逃离地球束缚，需要的速度最少为：

月球质量为7.342✕10²² kg，可得，月球炸飞后获得的总动能为：

E=（1/2）mv²=2.098×10³⁰J

月球被炸碎，还有小部分能量提供给月球解体。

月球解体永远不再聚合，对抗的是引力结合能。

对于一个密度均匀的天体来说，引力结合能满足公式：

由于月球是小型天体，密度梯度较小，可以近似看做密度均匀来计算引力结合能。

那么得到月球引力结合能为：

可以看出，单纯炸碎月球，其实需要消耗的能量，只是炸飞月球的零头。

由于洛希极限距离过近，如果只是炸碎月球，而不炸飞月球的话，可能会存在大量的碎片坠入地球的可能。

那么，把月球炸飞并且炸碎需要的总能量为：

这个能量是极其庞大的，为了让大家有个概念，做个类比：

太阳核聚变的功率为3.9×10²⁶W，月球炸飞的庞大的能量，接近太阳核聚变1.6个小时的总能量。相当于地球接受太阳照射40万年的总能量。

哪怕按照小说和电影中的设定，人类都远远达不到这个能量功率。

所以电影中，人类是通过引爆月球聚变，来制造如此庞大的能量，所用的能量为月球爆炸能量的10亿分之一。

哪怕是10亿分之一，就用了人类核弹的总储备量。

1吨TNT，相当于4.184×10⁹ J，月球核爆产生的总核当量为 5.3×10²⁰ 吨TNT，也即8万亿亿吨TNT。

可得，人类在电影中的核当量总量为：5300亿吨TNT。

在现实世界中，当前人类储备的核当量已经大大减少，但冷战时期一度超过200亿吨。

在《流浪地球》小说中的人类，就已经迈过氢核聚变，掌握了重核聚变。那个时候的核当量储备，是冷战时期的20多倍，是十分合理的。

为什么电影中能诱发月球核聚变？

看了电影的人应该知道，流浪地球系列的电影，其实有着大量自己原创的内容。但无论怎么原创，它的大框架是忠于原著的。

在原著中，流浪地球广泛运用重核聚变，例如推动地球的行星发动机。

月球核聚变本身，其实就是重核聚变。

重核聚变其实需要的条件十分的苛刻：

要让硅发生聚变，已经需要达到30亿度的超高温。

而温度超过60亿度，足以引起超新星爆发。铁核吸热聚变，生成更重的元素。

点燃氢弹比起掌握可控氢聚变来说，明显后者的难度远远高于前者。那么点燃重核，比起可控重核聚变，也会是后者的难度更高。

其实，哪怕现实中，CERN的大型强子对撞机，甚至短暂创造过10万亿度的夸克汤。

按照小说的设定，人类既然能掌握可控的重核聚变，引爆月球是可以自洽的。

月球核爆是一个怎样的过程？

我们知道，月球内核和地球内核一样，主要含铁吗，不过月球的内核其实占月球很小部分。

月球被点燃后，能量传递和聚变进程，会类似于地震波一样传递。

由于月球表面是更轻的元素，聚变会更加的剧烈，然后一直往月核传播。虽然铁重核聚变会吸收能量，但整个球体聚变产生的庞大能量，足以点燃月核。

此时核爆的月球，相当于一个小型的超新星爆发，不过由于是从外部引爆的，所以爆炸方向会影响喷流方向。所以，引爆月球一定要在侧面且靠近内侧的位置。

电影里设定的阵列核爆，不仅保证了大量核弹爆发威力的整理释放，也保证了月球爆破的方向，保证主要的月球碎片远离地球，而不是朝向地球。

在电影中，月球为什么会“坠落”？

月球的“坠落”，可能和放逐方式有关。

我们可以看出，三个推动器的位置所组成的平面，正好和我们平行。

推动给月球的力，正好与地心引力的方向相反。

通常航天器升轨采用霍曼转移轨道，沿着航天器当前前进方向提供加速，而非沿垂直于速度方向提供加速。

其实垂直推进，这在电影中是合情合理的。

现实中航天器升轨，之所以采用霍曼转移轨道，是因为这是最节能的。

在升轨的过程中，飞行器原本的轨道速度会逐渐降低，部分动能会逐渐转化成势能。

垂直轨道加速的话，飞行器的切向动能不变，势能的增加完全由推进器提供，所以会消耗更多能源

为什么在电影中是合理的？

因为在电影中，随着氦闪窗口期越来越近，人类本身就急着推走月球。

而在垂直轨道加速，的确会比霍曼转移轨道远离速度很快。

加上月球上有着丰富的氦-3，在逃命面前，也不必要用最节能的方式。

这种推进方式，为什么可能是月球“坠落”的原因？

根据电影结尾的彩蛋，我们知道，月球危机本身就是人工智能莫斯一手造成的。

两个推进器先后爆炸，造成的月球“坠落”。

电影用“轨道扰动”一笔带过，但其实我们可以进行更多的探讨。

我们再来仔细看看三个推进器的位置。

如果第一个爆炸的推进器正好是月球切线速度方向，那么月球的切线速度是可能有所降低的。

接下来的重点是，少了一个推进器后，月球就会发生旋转。当一个推进器到了背面发生爆炸，那么这个爆炸产生的推动力，就和月球远离的方向相反的。

也就是说，先后两个推进器的爆发，一个降低了月球的公转速度，一个给月球来了一个朝向地球的推力。

这样，月球的坠落就有了合理性。

当然，这样的两个爆炸十分的巧合，但不要忘了，这都是莫斯的设计。

莫斯由人类第23代（550W）强人工智能而来，通过精细控制三个推进器的能量功率是很容易的。另外，推进器爆炸是一次性释放所有的能量，产生的庞大推力，是远远大于推进器工作时的推力。

对比后面炸掉月球的能量，炸掉推进器影响月球轨道改变的能量其实是微乎其微的。而且由于是莫斯的精心布局，也有可能它早就通过推进器调整过月球轨道和方向。

除了炸掉月球，还能不能有其它的方案？

不炸掉月球，能考虑的其实就是相对温和地改变月球轨道，推走月球。

但由于推进器里面，三个坏了两个。且推进器与月球表面平行，不可能再启用推进器推走月球。

人类也不可能短时间再修建推进器，唯一能做的就是利用核爆炸推走月球。

前面我们计算出，人类总核弹当量是8000亿吨TNT。

即便最极限的认为所有的能量都会转化为月球的动能（实际转化很低），容易计算得到：

月球的速度变化仅仅只有1.5m/s。而月球原始公转速度就有1023m/s，前者占后者的零头都没有。

也就是说，人类核武器产生的总能量，远远不足直接改变月球的轨道。

唯一能做的就是四两拨千斤，引爆月球。

来源：瞻云

编辑：yhc

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