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[what if]第138期:木星潜水艇Comments>>

发表于 2015-08-03 19:35 | Tags 标签:, , ,

提问:

如果在木星大气里释放一艘潜水艇会发生什么?在木星大气中是否存在一点,使得潜艇可以浮在其中?它能不能自主前进?

—— KTH

回答:

不行!木星上的气压、密度和温度曲线和地球上的不同。在密度足够浮起潜艇的地方,气压会把潜艇压碎[1],温度会使潜艇熔化。[2]

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(感谢某本牛逼的山寨版本CRC物理化学手册提供的相图)

但这里有另一个问题:木星是一颗气态巨行星,但从字面上来看潜艇是在水中航行的。

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水和空气是不同的。这一点看上去很直白,但这两者之间又有很多相同之处。它们都是“流体”,一些定律对它们都是适用的。从某种程度上来说,当你仰头看向天空时,你其实是在深深的空气海底部往上看。

当一个物体的密度低于环绕在它周围的流体时,它就会浮起来,空气里的气球和水中的船都是这个道理。过世的诗人特里·普拉切特在他的《Going Postal》一书的序章中对此写过一段十分优美的文字。他写道,由于水从很多方面来看相当于潮湿版的空气[3],因而当船只沉没后,残骸最终会到达一个平衡位置,由于下面的海水密度太大而不再下沉。这个深度于是形成了一个残骸层,顺着海浪在海面以下海床以上飘荡:

那里十分寂静,死一般的寂静。

一些遇难的船只上还有索具,一些甚至还挂着帆。许多船只上还有船员,它们或是被缠在索具上,抑或是船舵上。

但它们的旅程还在继续,漫无目的,看不见港湾,那是海面下的洋流在推动着它们,就这样那些沉没的船只载着它们的幽灵船员,继续环绕世界航行,穿过被淹没的城市和群山,直至腐烂或被船蛆吃掉后解体。

有时会掉下一个锚,坠入黑暗冰冷的深不可测的海底,打破那里沉寂了百年的静谧,激起一片尘土。

我很喜欢这段话,但它完全说错了。船只会一直沉到海底(特里也知道这一点,正如余下的段落里澄清的那样,但他描述的是碟形世界里的情形,而不是地球上的情形。)

空气遵循理想气体定律,施加的压强越大,它就变得越小、越密。

而水却是非常难以压缩的。当你潜入海里后,压强会随着深度变大(每下潜10米左右就会增大一个大气压),但是海水的密度就算到了海底也没变化多少。
浮力取决于密度,而不是压强。木星大气里确实有地方气压只比地球上大一点点——这也是潜艇比较熟悉的环境——但是那里的空气密度只有地球上的十分之一不到。在那里潜艇下坠的速度甚至比地球上还快。

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(我也不知道发生了什么,但我觉得你们应该要系好安全带,如果这货有的话)

要想达到能够“浮起来”的深度,潜艇需要跑到木星半径一半的地方,然而那里巨大的气压会使空气变成一锅金属汤,其温度甚至高于太阳表面。此外,那里的气压大到不仅会把潜艇压碎,甚至会把组成潜艇的物质也转化成新的激动人心的物质形式。这种物理环境很难在实验室中创造出来,因此我们不太清楚当压强这么大时材料会发生怎样的变化。

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(-->Can't touch this 编注:译者猪的米被这个句翻译难住了,你能搞定么?)

而在海中,海水的密度相对来说是比较恒定的。这意味着潜艇总能找到合适的区域,悬浮在那里。换言之,潜艇能够正常运行要归功于水不遵循理想气体定律。

但是,我们也可以认为水是遵循理想气体定律的。常压下的水的控制方程和大约2万个大气压下的气体的控制方程十分相似。换言之,这也解释了为什么看起来水是不可压缩的——因为它已经被压缩得很厉害了,再加一两个大气压几乎没啥区别。

所以,水和空气在某些程度上比看起来得更加相似,但从潜艇的角度来看,两者又是十分不同的。

于是这又让我们开始思索它叫“潜艇”的原因:它是在“mare”下运行的。一个设计用来在空气海底部运行的载具应该叫做“subaerine”。[5]

可那不就是汽车嘛?

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(虽然“Subaru”被用在很多车上,但是最恰当的应该是用在意大利自行车手Fabio Aru驾驶的车上)

  • 注1:会使密度变得更大。
  • 注2:操控起来更难。
  • 注3:听起来好有道理啊。
  • 注5:“gas giant”中的“gas”来源于希腊语中的代表虚空的词khaos,所以穿过气体巨行星大气的载具(skaphe)应该被称作“khaoskaphe”。
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21 Responses to “[what if]第138期:木星潜水艇”

  1. Illusiwind说道:

    under pressure, ice ice baby, u can't touch this 都是歌名,直接直译就好了吧……什么 压力山大,冰块宝贝,触碰不得 之类的。不译也没关系吧,只是拿歌名来凑物理玩的。除非存在相应的中文歌,歌名意思一致,否则怎么翻都一样的。

    • Illusiwind说道:

      第二张图的悬浮文字可能跟这个有关xkcd.com/1418/,不过反正也没法翻……

    • 香芋说道:

      至少我知道皇后乐队有一首曲子叫Under Pressure,个人感觉还挺好听的,我个人认为这个不用翻译,加个注解是歌名就可以了。

  2. FH说道:

    报错:原作地址应该是/138

  3. Drink-Me说道:

    文中阐述Submarine一词渊源的配图,翻译有个地方貌似不太合适:
    marine来自拉丁语mare(海),月海这一意义明显是近代天文学的借用
    而 mare 表示母马的义项,来自于中古英语mere,而mere来自于古高地德语merha
    算是不同源但是最后演变成同形的两个词汇。

  4. 穆斯塔法说道:

    Ben·bova的科幻小说《木星》里,一艘潜艇潜入木星海洋,并在压溃前送上了木星内部的情报。不过他那个潜艇有点类似飞艇和潜艇的结合。内舱充满呼吸夜来抵抗高压。
    小说里木星里还有超大的怪物呢。

  5. Leo说道:

    从某种程度山->程度上

    注释4迷之消失…等等,怎么原文也是…

  6. lxzsh说道:

    激动人心的物质XD

  7. d9ninth说道:

    木星大气里确实有地方气压只比地球上大一点点——但是那里的空气密度只有地球上的十分之一不到,
    这里的原理很难理解呢?是因为引力原因吗?难道气压不是大气堆积一定高度造成的嘛?

    • 啦啦啦说道:

      因为木星大气成分不同,所以在木星大气中气压和地球上一样的地方的气体密度比地球低很多。就像同样气压下氢气比氧气密度大。

  8. qyscw说道:

    看来只能用氢气球了。
    木星的大气中含有一些氦,密度比同等温度、压强下的纯氢气要略大一些。

    • 咋咋说道:

      木星大气里有向大红斑一样的台风,你还没坐上一分钟就会被不知名的风刮下来

  9. Teodoro Mcgillivray说道:

    A submarine in that layer would fall even faster than it would in the air on Earth. Not sure what s going on, but you should probably fasten your seatbelts, assuming these things have seatbelts.

  10. 开开说道:

    可是浮力和密度的关系是因为在地球上有重力,如果没有重力只有浮力,那一定会浮起来啊。

    • proton说道:

      怎么会没有重力呢?木星那么重的行星,万有引力都比地球大一个量级了吧

  11. 旅行者说道:

    那么高的密度,木星核心部分的气体怎么不转化成固态?又或,高温高压下的气体怎么不爆炸、逃逸?高人指点一二?这颗气态行星让人着迷。