无法在太空中喝酒撸串,那就只能打台球了

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全国高中物理竞赛复赛已经结束了,不知道大家考的如何?顺利进入决赛的同学,希望可以再接再厉,争取在决赛中争取金牌,落榜的同学也不用失望,因为全国高中生物理竞赛只是你们人生中的一个小插曲。好了,废话不多说,今天质心教育的小编为大家带来一篇有趣的物理科技文章,希望在疲惫的学习过程中,为大家平增一些乐趣。

假设太空中存在一个神级文明,他们的科学技术领先我们无数光年,其实他们的生活是十分无趣的,所以他们每天都想找一些朋友来休闲娱乐一下。他们很想像地球人一样喝酒撸串,但是太空中好像是不可以点火的,更别说上哪儿找肉去,但是玩玩星际桌球还是可以的。当然,前提是得先有合适的球桌和球,不小心毁灭一两个世界就不好了。

理论物理学家LostAbaddon在一个宏大到有些难以想象的维度上,仔细分析了如果在宇宙中。虽然身为“宇宙虫子”的我们没办法到现场去观看这样一场球赛,但光是想象一下,就有一种月光族思考虑如何解决掉一千万零钱的快感。

让我们来做一个不着边际的假定:有一伙神级文明,某一天突然想打桌球,而且是用一个个星球作为桌球的球来进行这么一场桌球,那么这会是一场怎样的球赛?

宇宙台球

首先是球桌的选择。

在宇宙中打台球可不是随便找个地方玩就可以的。台球案子要对台球有一定的阻力,在不干扰球运动的情况下还需要球可以自然停止,台球案上的各个位置的阻力还需要都一样。

这样的环境在太空中并不少见,比如银河系悬臂之间的空间,或者银河系与邻近的大小麦哲伦星系之间的区域,都是远离所有大质量天体的平坦星域。而室女超星系团中不同星系团之间的区域、超星系团之间的纤维结构所围出的空洞区,更是空旷到“万径人踪灭”的,完全可以作为星际桌球的理想舞台。事实上,在我们可观测的宇宙中,绝大部分区域都是空洞。

死亡旅行剧照

【动漫《死亡游行》剧照】

但是,光是空旷的球案还是不够的,我们还需要好的阻尼来让求可以自然地停止。(质心物理竞赛网http://cpho.eduzhixin.com

问题是,阻尼效应的特性之一是,无论运动方向是什么,都会产生与之反向的作用力,这在星空之中几乎是不可能存在的:强弱相互作用力都只能在短距离内造成影响,电荷在超大尺度下几乎都被中和,因此电磁相互作用很难占据主导,而引力相互作用则必须要有单一的源。

虽然没有一个星体的引力可以实现阻尼效应,但宇宙本身就可以实现“减速”在一个膨胀的宇宙里,星体在观测者眼中的运动速度由两部分构成:星体本身的本动速度,和时空膨胀带来的退行速度,也就是所谓的哈勃红移效应。

退行速度本身的特点,就是从观测者看来,星空中的星球都相对他在倒退,越来越远。如果选择一个随宇宙的膨胀而膨胀的距离标尺,那么我们就会发现,两个静止星体之间的距离是不变的,而对于一个静止的星体来说,一个运动的星体的速度是在各个方向上都不断减小的,这就可以被当作是一个阻尼作用。

除了合适的阻力,这样的球桌还需要有边界,不然打着打着球就没了。在一个时空中想让星体撞到某个“边界”后弹回去是不可能的,而把球限制在一定的范围内还是可以做到的。

假设存在膜宇宙,并且有一张膜距离我们所在的宇宙膜非常近。如果我们在自己的膜上选定一个理想的“球桌”区域,再在另一张膜的对应空间边界上围一圈超大质量的重物。因为两张膜靠得很近,所以产生的效果几乎相同,在我们的宇宙膜上,球桌边界外就会出现指向内部的引力,将物质吸向球台区,同时因为我们的膜上不存在那些重物,“球”在进入边界的时候就不会发生“撞车”的事故。

最后需要解决的就是袋洞了。黑洞?这可不行,一个黑洞就能把好不容易选出来的球桌废掉,别说几个了。而且黑洞的强引力红移会使得这场球赛根本结束不了,理论上说,一个球进洞之后永远也到不了袋底。虫洞倒是个不错的选择:洞外时空平坦,洞内随便怎么强引力都行。

都说了不能用黑洞当球袋了啦

【都说了不能用黑洞当球袋了啦】

好了,现在我们有了一张完美的星际桌球台。

相比于球桌,球的选择就容易多了。

为了公平起见,我们选择的都是质量差不多大小的恒星。因为内部结构存在着不足,所以会有很多不同颜色的恒星:比如红色、白色、黄色与蓝色——对于喜欢打斯诺克的来说可能有些不够,就凑合打打九球吧

宇宙台球

但是有一个问题,恒星都是具有不小的引力,这会把我们好不容易选好的平坦球桌给弄皱,而且这种麻烦是无论如何都不可能去除的——任何星体的质量与能量的总和都不可能为零,而在星空这个尺度上,只有引力相互作用会体现出来。

这就是星际桌球的第一个独特之处:球与球之间不是通过碰撞,而主要是通过引力作用来相互改变运动轨迹的。

我们可以想象,如果两颗恒星像普通桌球那样直接相撞,那么后果是灾难性的。恒星本身很可能发生爆炸,甚至还会产生伽马射线爆或者新星爆发,这场桌球比赛就真正会“惊天动地”了。因此,出于安全考虑,我们需要通过两颗恒星擦肩而过时产生的引力效应来进行比赛。

这么一个通过引力相互作用的过程被称作“完全弹性碰撞”,也就是一个引力散射过程,它必须满足三个条件:总能量守恒,总动量守恒,以及总角动量守恒。

在这个基础上,为了讨论方便,我们假设一个最简单的情况:一颗恒星保持原地不动,另一颗恒星从无穷远处冲着它飞过来。这第二颗恒星的初始速度为v,第一颗恒星距离第二颗恒星的初始速度构成的直线的距离为h,如果不发生碰撞,那么经过一番纠缠后,这两颗质量大致相当的恒星的速度分别变为va(撞过来的恒星的速度)与vb(被撞的恒星的速度),都是矢量,那么就有:

公式一

【(G是引力常数,M是作为台球的恒星的质量,θ就是撞过来的恒星的速度与初始速度的夹角。)】

两颗恒星最近距离为:

公式二

如果这个距离小于两颗恒星的半径之和,那么就会发生灾难性的碰撞。

在这样的引力相互作用影响下,恒星们还会产生一些奇特的运动方式。如果初始状态下飞过来的恒星在静止恒星的左侧,那么引力作用后该恒星会飞向右方,而原来静止的恒星会飞向左方。这就是星际桌球的另一个特性:相互作用后,运动的偏折方向是相反的。

如果考虑上恒星的自转,情况会变得更加复杂。在这个过程中,引力作用会使两颗恒星的自转发生改变,例如地球和月球的引力作用使月球被地球潮汐锁定,始终用同一面面对着我们,同样的情况也发生在水星上,它也被太阳给潮汐锁定了。这种自转方式的改变又会导致轨道角动量的改变,让两颗星球的运动方向与初始方向的关系变得更加难以预测。

如果恒星的质量足够大,比如是一颗中子星或者夸克星,那么还可能产生“引力磁性”,将恒星周围的物体都带动着旋转起来。而且这种自转不会慢下来,可以一直保持下去。当有其他恒星飞过来交互时,这种自转就可以被传递过去,这对于要做斯诺克的人来说,将会是一个非常有用的手段。

宇宙星系

在宇宙纬度上打球,就必然会遇到各种意外情况。除了恒星彼此之间的引力相互作用,还有另一些可能的影响因素。例如近距离掠过一颗恒星时,它的形态和内能都可能发生变化,让运动方式变得更加扑朔迷离。如果自转被引力作用加速得过快,恒星还可能因此而喷射出物质,被激发出恒星风暴。另一方面,弥漫在恒星周围的光球、恒星风甚至恒星大气,还可能影响自转恒星本身的磁场,使得两颗恒星之间存在引力之外的相互作用。而对于中子星和夸克星这样的极端星体,很可能自带有吸积盘、喷流,或者极强的磁场,在发生引力交互的时候也可能爆发伽马射线爆。也就是说,打球的人很难控制台上发生的一切,稍有变动,球就可能沿着完全不同的轨迹飞出去了。

当然,还有一种最意想不到的情况:由于星际桌球上的一切活动都是以天文时间单位来计算的,所以,很有可能当我们在一局斯诺克僵持到一半的时候,有一些高等智慧生命在某一颗恒星球上造了个戴森球,把恒星包裹起来以便开采能量,然后依靠这个核融合反应堆控制了物质流喷射,开着恒星去度假了。遇到这种球被顺走的情况,到底该找谁抗议去都不知道。

挑选好了球桌和球,同等重要的球杆该怎么办?

这个也许只能是个千古谜题了。毕竟目前实在是找不到什么合理的物理手段,既能完成击球这个动作,同时又不会一杆子戳爆我们的恒星。

九星连珠

至于这场球赛什么时候转播,这大概就不是身为“宇宙虫子”的我们所需要考虑的事了。不管这个假想中的神级文明什么时候突然起了兴致,准备来一场星际尺度的斯诺克,我们还是祈祷不要发生在银河系里吧。

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