为什么用相控阵技术可以炸掉月球科学顾问解读《流浪地球2》设定

显示全部楼层 · 2023-1-26 13:42:07

流浪地球2里有些词比较陌生，比如前篇解读（我们是如何炸掉月球的）里提到的相控阵。因为相控阵技术在现代技术中非常重要，我们来说一下什么是相控阵，以及如何把核弹的能量尽量的聚集在一点点燃月球的自持核聚变（按照流浪地球世界的设定）。

月球爆炸

按照上一篇文章的结论，全球核弹在月表爆炸就像人放了一个屁一样不可能对月球造成显著伤害。唯一的可能是把所有核弹能量聚集在一点，聚焦在三十米见方的月幔上点燃月球重核聚变。尽量保证月重核聚变在月亮内部传播造成月亮解体。怎么把能量聚集在月亮内部一点呢。我们提出了采用相控阵技术的概念。之所以使用这个概念一方面是符合剧情，一方面是相控阵的原理，是我们当今很多先进科技的基础。

中国民营公司在矿场进行的阵列爆破地动山摇

相控阵是相位控制阵列的缩写。是一系列排成规则阵列的能量释放源，相位控制是指不同单源单元的能量触发时机可以精确控制。
这写法太生了，我自己都打瞌睡了。
一个灯泡，发光的时候向四面八方同时发射。我们大喊的时候，声音向四面八方同时传播。炸弹爆炸的时候，冲击波向四面八方传播。能量在各个方向是均匀的，越传越弱的。有没有什么办法在远处使能量聚焦？下面我要说的聚焦能量的原理，是适用于一切波，光波，雷达波，声波的原理。
如果大家有幸站在过一个穹顶大厦的穹顶下面，或者找一个月亮门，站在门中间，那么你突然会觉得自己说的话传到耳朵里声音很大。这是因为你说的话虽然向四面八方传播，但传到穹顶或者月亮门上的声音同时反射传回你的耳朵里。这是一种聚焦方式。
如果没有这样的月亮门，如果我们能够让向不同方向的声音传播的速度不同，虽然撞在远近不同的墙上，但保证他们同时返回到耳朵里，那么也可能产生聚焦的效果。光学里有一种菲涅尔透镜，在淘宝上可以买到，看上去是平面的，但可以把光聚成一点，就是用的这个原理。不妨去买一个来试试，用平面的镜子聚焦光线，很多人会觉得你有魔法。

平面的菲涅尔聚光镜

改变传播速度来改变水波的传播方向其实现在躺在海边的读者就可以体会一下。你有没有想过为什么海边的浪都是冲着海岸来的？不管海湾是什么形状的？波浪在大海里可不知道你的海岸是朝向哪里的。这个原因是波浪传播速度越靠近海边速度越慢，本来不垂直海岸的海浪靠近海岸的部分跑得慢，远离海岸的部分跑得快。就像一辆马车，两侧马跑得不一样快，就会转向，最后向着海岸冲来。这个原理同样是光在水面上产生折射的原理。

海边的海浪因为波速随水深改变总是向海岸方向扑来

读者会说你太搞笑了，哪里能随意调控声音或者光的速度。那么我们换个方式，不改变速度，我们改变声音发出的先后。比如我们知道我们对着平面的墙喊，那么声音先到正对着的墙面上返回来，后到两侧的墙上再反射回来，不能同时到达。所以不能聚焦。那我们可以考虑让这个平面墙上两侧距离较远的位置的声音先返回，然后再控制近处的声音后返回，以期达到声音同时回到我们耳中的效果。比如，我们在远处布置一面墙的喇叭，同时播放一首音乐，但精确控制每个喇叭发声的先后，使得所有喇叭的声音都同时到达我们耳朵。这实际上就实现了声场的塑形，结果是原来向四面八方传播的声音，大部分都传到了我们的耳朵里，形成能量的聚焦。这个喇叭墙就是相控阵。

不同时序可以改变能量传播方向

这里面有个非常重要的相位相干的概念。略复杂，就不展开说了。相位的相干，是能量完成聚焦的最原理的一步，也是现在量子计算机，量子力学的关键。光学里的相干，体现在波动光学中的惠更斯原理。上到大学二年级光学课的同学应该有印象。
这种能量的聚焦，在雷达领域非常关键，以前的雷达，一个大锅一样的天线，不断转动来探测空间目标。现在用相控阵雷达，相当于平板雷达上有几百上千个小雷达，每个雷达按照控制好的时序发射信号。在空中可以形成随时序改变的雷达信号，雷达波在不断扫描，但雷达本身不再需要移动。相控阵雷达还可以把波束按照不同需要捏成不同的样子，实现多目标跟踪。

相控阵雷达产生的波束形状

相控阵雷达

我们日常生活中听到的立体声音响实际上也是使用多喇叭调控声场的初级例子，通过调控不同喇叭的声音大小而让人感觉身临其境。当然这里面没有相位调制。大家可以类比一下。
声学中真正用到相控阵技术对声波进行塑形的是现代的超声波探测仪。传统的超声波，比如传统B超，检查身体时可能是一个探头。向身体里发射一个超声信号，通过返回的声音强弱快慢获得身体器官形象。先进的超声波使用的是一个探头阵列，通过相位的调谐，来调整进入身体的声波形状，更精确的探测体内的病症。
在影片《流浪地球2》中，我们设想了相控阵的方式布置和引爆核弹，就是向相控阵技术的现代应用致敬。
在环形山里，环状布置了三千颗以上的核弹。从环外开始向内次序引爆。其目的不是在月表形成向心爆炸，而是控制爆炸能量传播方向，使得主要的爆炸能量呈聚焦的锥形向月下传播，焦点在300公里深的上月幔，焦点区域形成30米见方的高热区，可以使得该区温度达到三亿度高温，引爆科幻中的重核聚变（现实中这个温度和压力是远远不够引发硅核聚变的）。这个聚变可以在周围岩石圈再次产生上亿度高温，诱发新一轮的重核聚变反应。这个过程不断循环就导致月球不断爆炸导致解体。其实要达到相位相干，不但要计算声音在月岩中的传播速度，还要考虑爆炸能量聚集的主频率，使得所有的核弹产生的振动像在桥梁上齐步走的士兵一样准确。这是超乎人类能力的要求。所以这里要强调科幻不等于科学，科幻有科学的基础，但一定有浪漫的想象。

据我们顾问组雷达专家崔老师的介绍（https://www.zhihu.com/question/580066313/answer/2859735337?utm_id=0），美国先后搞过多次核弹阵列爆炸的计算，7颗按阵列布置的核弹计算下来在特定方向产生的毁伤力是单枚总当量核弹毁伤力的五到八倍。这里面当然不牵涉相控阵对能量传播的塑形，简单的阵列引爆就有这种效果，一方面让我们感到科学是有依据的，另一方面也让我们为人类的未来担心。
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森林大帝雪狼帝w · 2023-1-26 16:31:01

外国的科幻电影都从来没有人追跟剧情的科学性，中国的电影你们却各种不依不饶

水云洞天橇 · 2023-1-26 23:59:09

大部分都挺科学，一部分是因为科幻需要想象力和合理的艺术加工，科幻又不是科教片。能够代领国产电影走出国门，带动国产电影行业发展还得是流浪地球这样用心拍摄的大制作电影！构建人类命运共同体，为了人类的生存挑战宇宙法则，谱写一曲人类勇气和智慧的赞歌，就凭这，流浪地球就可以称为史上最伟大的科幻电影之一！而且还有好看的故事和特效，我希望以后看到更多这样用心拍摄的好电影，所以我会去看流浪地球