有一个相当古老的段子是这么说的:为了涨姿势,我加入一个物理博士群,见到有人问:一滴水从很高的地方落下来,会不会弄死人?群里一下就热闹起来,各种公式,各种假设,各种阻力,重力,加速度的讨论。一小时后我默默的问了一句:你们没有淋过雨吗?群里,突然死一般的寂静……然后,然后我就被踢出群了……显然这个段子只不过是用来嘲笑高学历人缺乏常识的。道理我懂了,但水从高处落下来,到底会发生什么呢?
本期科学BangBangBang,果壳科学编辑Ent就要手把手教给你:一滴水灭绝全人类,不是梦。第一种情况:水(仅限液态)在地球上不经人类任何干预而掉下来。降雨——高空云层中凝结的小水滴,因为重力超过了气流承载力而落下来。气流承载力并不很大,所以雨滴也没办法变得很大;就算有些雨滴能够变得稍大一点,下落过程也会很容易让它分崩离析。
其结果就是,雨滴很快就会因为空气阻力而抵达所谓的“终末速度”——重力和阻力平衡,不会再加速。雨滴的终末速度是多少呢?你淋过雨,却未必知道自己经历了怎样的力道。想知道吗?Ent在视频里真的把它算出来了。
第二种情况:水(物态不限)在地球上不经人类任何干预而掉下来。在自然环境下,显而易见的场景是冰雹。虽然冰雹的形状和密度其实和水滴相差无几,但它有一个大优势:硬。硬度保证了就算较大的冰雹下落过程里也不会解体,还保证了它掉在你头上的时候瞬间冲击力比水大很多。终末速度更是可达50米/秒以上——砸死人也不奇怪哟~(未按比例绘制。)
第三种情况:水(液态雨滴大小)在没有大气层的地球上掉下来,不考虑蒸发。
从现在开始就不是无人类干涉的“自然”环境了,但原题也没这要求对吧。没有大气层又不计入蒸发的话,水滴终于可以实现真正的自由落体了。它会一直加速,直到撞击地面为止。如果它按照9.8米/秒^2的速度匀加速,那么它想加到多快就有多快,别说干掉一个人,就算歼灭整只舰队甚至毁灭地球也不在话下。不幸的是,我们限定了地球这个条件。离地球太远,引力会变弱,加速度也会变小。
其实牛顿早就证明了一个不是很符合直觉的结论:就算水滴距离地球是无限远,它的最大速度也是有限,而且这个数字出奇的熟悉——第二宇宙速度。为什么?自己看视频去啦。(喊破喉咙也不会有人来救你的!没有大气,无线电没法传到地球另一侧。)
但是我们当然不能就此知足了,所以:第四种情况:水(液态大小不限)在有大气层的地球上掉下来。呼,大气层回来了。但别高兴得太早。
如果你从空中泼一桶水下去,那么其杀伤力和一滴水没有本质差异,因为气流等因素会把这桶水再撕裂成水滴。但是如果你泼的是一游泳池、一湖甚至一大海的水,那么就没有足够的时间分散开来,其结果将是毁灭性的……如果夏天一场暴雨的所有雨水化作一个大水滴,那么这个水滴体积0.6立方千米,重量6亿吨(差不多是所有人类加在一起的总重量)。这坨水如果从云的正常高度落下来,那么落地瞬间速度大概是200米/秒。
落地点的空气遭到强烈压缩,产生瞬间高温,足以让地上的草烧起来——所幸下一瞬间就会有巨量的水将野火熄灭在萌芽中。如果你不幸站在这个地方,你遭受的水压将会超过马里亚纳海沟最深处。(水滴落下来只需一分钟,你跑不掉的啦。)你当然死定了这种小事我们就别管了,视频告诉我们,这滴水的余威可不止于此。
但……能不能再给力一点?第五种情况:水(物态大小均不限)在有大气层的地球上掉下来。有请彗星君隆重登场。
严格说来彗星不全是冰,里面还有不少固体尘埃物质——但雨滴和冰雹里也有不少尘埃(不信来北京淋场雨)。而彗星的大小嘛,可就是动辄几千米了。彗星撞地球什么感觉?恐龙说:呵呵。(完全未按比例绘制。)(显然。)不过,还没完呢。第六种情况:水在太阳上掉下来。对于一个邪恶科学家而言,这才是真正的好戏开场。
假如不考虑太阳大气和温度,那么水滴落到太阳上的最大速度是617.5千米/秒——同时也是太阳表面的“逃逸速度”。比地球大很多,人在上面也会死得惨很多,不过在上面的人反正也已经死了,无所谓啦。但水落到太阳上,还有别的效果。和地球不同,太阳是个巨大的核反应炉,它的燃料是氢,维持炉体稳定的是压力和引力的平衡。
如果太阳变大了,引力就会占优势,让太阳燃烧得更加猛烈、同时寿命也变得更短——而往上倒一氧化二氢,正好可以达成这一目的。所以,如果我们往太阳上倒水,那么它会变得更热,距离它的终结也更近。倒的水如果多一点,地球上就会出现极其明显的温室效应,农业系统和海岸居住区崩溃,整个人类社会陷入混乱。
如果再多一点,强烈阳光带来的硅酸盐风化会把越来越多的二氧化碳锁在岩石圈里不再流通,短期内可能会缓解疯狂的温室效应,但长期下来将意味着大气二氧化碳无法维持碳三植物的存活,整个地球生态系统崩溃。如果再多一点,碳四植物也将消亡。如果再多一点,海洋的蒸发将失去平衡,大量水蒸气滞留在大气中加剧温室效应,最终地球表面将成为潮湿大温室,海洋全部消失。如果此时生命还没有全部灭绝,也只能在极个别的地方苟延残喘了。
继续多下去,太阳就会加速前进,最终成为红巨星把地球吞没——如果没有这些额外的氢,地球还有一定概率逃过一劫,但倒了这么多水上去之后,这一命运就无可避免了。(邪恶行星科学家的终极梦想,诚招土豪资助一起毁灭世界,机不可失!)然后,太阳会变成一颗超新星,最终也许在巨大的额外质量之下成为一颗黑洞。
所以:第七种情况:一滴水在黑洞上掉下来。从开始读这个问题,你就该想到肯定会走到这一步的。
事实上,把水滴进黑洞里,真正杀死你的,是黑洞吐出的辐射。(不要在意这个灵魂画风,咱也不能跟诺兰和索恩比是吧……)是的,一滴水从高处落下来能产生的最大杀伤力,需要的不过是一个黑洞在下面接着它。就算三体人的那个“水滴”能单挑整个地球舰队,在这真正的水滴面前也不过是小巫见大巫。这个故事告诉我们一个道理:千万别和学物理的待在同一个群。