[what if]第138期:木星潜水艇

本文作者:xkcd

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编译:猪的米

What if 系列:http://ift.tt/NUiUz7

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。从某种程度山来说,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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