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What If 系列 第141期:太陽光柱
譯者: 豬的米
發(fā)表時間:2016-02-22

提問:

如果我把太陽發(fā)出的所有可見光都集中起來,弄成像激光那樣的直徑約為1米的光柱,當這個光柱抵達地球時會發(fā)生什么?

——Max Schafer

回答:

Max描述的情景如下圖所示:

(Max機械)

如果你站在光柱的路線上,那么毫無疑問你立刻就會死去。只不過你的死因有點異乎尋常,突然間你就不是生物意義上的人了,而變成了一個物理現(xiàn)象。

當光柱射中大氣層時,周圍的一小部分空氣會在幾分之一秒內被加熱到上百萬度[1]。這些空氣會轉變成等離子體,并以X射線的方式向四周發(fā)散熱量。這些X射線又會繼續(xù)加熱周圍的空氣,使它們變成等離子體,并釋放出紅外線。這有點像氫彈爆炸,只不過程度要劇烈的多。

(鏡頭光暈)

這樣的輻射會蒸發(fā)一切物體,將周圍的大氣變成等離子體,并逐漸撕裂地球表面。

但如果你站在地球的另一邊呢?雖然你最終還是會死去——在這種情況下地球也是在劫難逃——但是你的死因究竟是什么呢?

地球的尺寸可以暫時保護另一端的人的安全,而且地震波也要花費一點時間才能穿過整個地球。然而地球并不是一個完美的庇護所,置你于死地的也不是這些東西。

你可能不會想到,殺死你的會是暮光。

(《暮光之城》(2008))

在夜晚,由于太陽在地球的另一邊[來源請求],因而天空看上去是黑的[來源請求],然而天空并非總是完全黑暗的。在剛剛日落和快要日出的時候,天空中會出現(xiàn)閃光,此時太陽雖然還處于地平線之下,但是陽光被大氣層折射后還是能被我們看到。

當光柱射中地球時,X射線、紅外輻射以及所有夾在兩者之間的輻射都會一股腦涌入大氣層,因而我們需要先了解一下不同的光與空氣的作用機理。

普通光在大氣中會發(fā)生瑞利散射(Rayleigh scattering),你可能聽說過瑞利散射是“天空是藍色”的原因。好吧,可以這么說,但是更好的回答是“因為空氣是藍色的?!钡拇_,由于某些物理原因,天空看起來是藍色的,但所有東西的顏色不都是因為物理原因嗎?[2]

當空氣溫度升高時,空氣中的電子就會被原本束縛著它們的原子核剝離,進而變成等離子體。而從光柱源源不斷而來的輻射要穿過這片等離子體才能繼續(xù)前行,因而現(xiàn)在我們要研究不同種類的光對等離子體的透過性如何。在這里,我想提一篇Harris L.Mayer在1964年寫的論文《不透明度計算:從過去到將來》(Opacity Calculations: Past and Future),因為這篇論文的開篇段落是所有我看到過的所有物理論文中寫得最棒的:

這篇文章描述的現(xiàn)象早在幾十億年前便已開始發(fā)生。隨著恒星的形成,不透明度成為了決定我們所生存的物理世界結構的基本要素之一。而當今隨著爆炸溫度達到恒星內部溫度的核武器的出現(xiàn),不透明度再次成為基本要素之一,只不過這次它決定的是人類毀滅的方式。

相比與空氣而言,等離子體對X射線更透明一些。X射線穿過等離子體時,會通過康普頓散射(Compton scattering)和成對產生(pair production)效應加熱空氣,不過當它穿過等離子氣泡遇上外部的非等離子體狀態(tài)的空氣時,X射線會迅速消減。但是靠近光柱的超高溫空氣產生的源源不斷的X射線會使等離子氣泡持續(xù)不斷地擴大。氣泡邊緣的等離子體會釋放出紅外輻射,伴隨著之前已經產生的那些紅外輻射,它們會向四周擴散,加熱途經的一切物體。

(如果真有人對地球這么干的話,我可就要頭疼了)

這個光和熱組成的氣泡會包裹住地球,加熱它所經過的空氣和土地。隨著熱空氣上升,等離子體產生的散射和輻射會影響到越來越遠的地方。不僅如此,光柱附近的大氣會被轟擊到太空中去,在那里它會把來自地球的光線反射回去。

輻射繞地球一圈的準確時間取決于大氣層當時的散射特性,但如果那時正好是半月,它的影響就很小了。

隨著Max設想的裝置的啟動,月球會失去光亮,因為原本照耀月球的光線被聚集成了一條光柱。在光柱射中地球大氣層后不久,弦月(quarter moon)也不見了。

(我的愛好是篡改開源非正式文獻圖書館,把《暮光之城》的新書或者新電影發(fā)布時的月相說成是“新月”)

當Max的裝置產生的光柱射中地球大氣層時,接觸點產生的光線會照亮月球。而如果你不幸地處于從月球上反射回來的光線所在的位置,那你將會被灼燒致死……

(當你看到月光時/你的視網膜細胞就死翹翹啦……)

……正如暮光包裹著地球,我們將最后一次看到日出。[3]

(《破曉2:機械舞》,梗來自于《Breakin' 2: Electric Boogaloo》這部電影)

不過等等,似乎地球可能不會完全毀滅,這取決于Max的裝置能不能對目標進行追蹤?如果不行的話,那么地球自身的公轉運動就能就自己一命。如果光柱只能瞄準天空中的某一個固定點,那么3分鐘后地球就會挪出光柱的范圍。

地球表面的所有人還是會被燒熟,大量的大氣層和地表也會消失,但是地球的大部分質量還是能夠保留下來,只不過剩下來的也是焦炭一塊了。

而太陽死光還會繼續(xù)朝宇宙深處前進。若干年后,如果光柱擊中了另一個行星系統(tǒng),那時散大的光斑將不足以氣化任何東西,但應該還是能夠加熱那顆星球的表面的。

Max設想的情景可能給地球下了死刑,但值得欣慰的是,可能還有其他生物給我們墊背。

注釋

注1:華氏度、攝氏度、蘭氏度、開爾文,隨便什么單位都行。

注2:當問到“為什么自由女神像是綠色的?”時,你的回答應該是“因為女神像的外表面是銅,因而一開始看上去是銅的顏色。不過隨著時間的推移,氧化產生的堿式碳酸銅會慢慢地積附在表面,而堿式碳酸銅是綠色的?!蹦悴粫卮鹫f“這是由于女神像表面分子對于特定頻率的光線的吸收和散射造成的?!?/p>

注3:這張圖片能讓特定的一群人很不爽。(梗來自于《絕命毒師(Breaking Bad)》)

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