木星上是否允許宇宙飛船著陸？

原作：http://what-if.xkcd.com/137

編譯：豬的米

What if 系列：http://songshuhui.net/archives/tag/what-if

提問：

如果在木星大氣里釋放一艘潛水艇會發生什麼？在木星大氣中是否存在一點，使得潛艇可以浮在其中？它能不能自主前進？

—— KTH

回答：

不行！木星上的氣壓、密度和溫度曲線和地球上的不同。在密度足夠浮起潛艇的地方，氣壓會把潛艇壓碎[1]，溫度會使潛艇熔化。[2]

（感謝某本牛逼的山寨版本CRC物理化學手冊提供的相圖）

但這裡有另一個問題：木星是一顆氣態巨行星，但從字面上來看潛艇是在水中航行的。

水和空氣是不同的。這一點看上去很直白，但這兩者之間又有很多相同之處。它們都是「流體」，一些定律對它們都是適用的。從某種程度山來說，當你仰頭看向天空時，你其實是在深深的空氣海底部往上看。

當一個物體的密度低於環繞在它周圍的流體時，它就會浮起來，空氣里的氣球和水中的船都是這個道理。過世的詩人特里·普拉切特在他的《Going Postal》一書的序章中對此寫過一段十分優美的文字。他寫道，由於水從很多方面來看相當於潮濕版的空氣[3]，因而當船隻沉沒後，殘骸最終會到達一個平衡位置，由於下面的海水密度太大而不再下沉。這個深度於是形成了一個殘骸層，順著海浪在海面以下海床以上飄蕩：

那裡十分寂靜，死一般的寂靜。

一些遇難的船隻上還有索具，一些甚至還掛著帆。許多船隻上還有船員，它們或是被纏在索具上，抑或是船舵上。

但它們的旅程還在繼續，漫無目的，看不見港灣，那是海面下的洋流在推動著它們，就這樣那些沉沒的船隻載著它們的幽靈船員，繼續環繞世界航行，穿過被淹沒的城市和群山，直至腐爛或被船蛆吃掉後解體。

有時會掉下一個錨，墜入黑暗冰冷的深不可測的海底，打破那裡沉寂了百年的靜謐，激起一片塵土。

我很喜歡這段話，但它完全說錯了。船隻會一直沉到海底（特里也知道這一點，正如餘下的段落里澄清的那樣，但他描述的是碟形世界裡的情形，而不是地球上的情形。）

空氣遵循理想氣體定律，施加的壓強越大，它就變得越小、越密。

而水卻是非常難以壓縮的。當你潛入海里後，壓強會隨著深度變大（每下潛10米左右就會增大一個大氣壓），但是海水的密度就算到了海底也沒變化多少。

浮力取決於密度，而不是壓強。木星大氣里確實有地方氣壓只比地球上大一點點——這也是潛艇比較熟悉的環境——但是那裡的空氣密度只有地球上的十分之一不到。在那裡潛艇下墜的速度甚至比地球上還快。

（我也不知道發生了什麼，但我覺得你們應該要系好安全帶，如果這貨有的話）

要想達到能夠「浮起來」的深度，潛艇需要跑到木星半徑一半的地方，然而那裡巨大的氣壓會使空氣變成一鍋金屬湯，其溫度甚至高於太陽表面。此外，那裡的氣壓大到不僅會把潛艇壓碎，甚至會把組成潛艇的物質也轉化成新的激動人心的物質形式。這種物理環境很難在實驗室中創造出來，因此我們不太清楚當壓強這麼大時材料會發生怎樣的變化。

（--&>Can"t touch this 編註：譯者豬的米被這個句翻譯難住了，你能搞定么？）

而在海中，海水的密度相對來說是比較恆定的。這意味著潛艇總能找到合適的區域，懸浮在那裡。換言之，潛艇能夠正常運行要歸功於水不遵循理想氣體定律。

但是，我們也可以認為水是遵循理想氣體定律的。常壓下的水的控制方程和大約2萬個大氣壓下的氣體的控制方程十分相似。換言之，這也解釋了為什麼看起來水是不可壓縮的——因為它已經被壓縮得很厲害了，再加一兩個大氣壓幾乎沒啥區別。

所以，水和空氣在某些程度上比看起來得更加相似，但從潛艇的角度來看，兩者又是十分不同的。

於是這又讓我們開始思索它叫「潛艇」的原因：它是在「mare」下運行的。一個設計用來在空氣海底部運行的載具應該叫做「subaerine」。[5]

可那不就是汽車嘛？

（雖然「Subaru」被用在很多車上，但是最恰當的應該是用在義大利自行車手Fabio Aru駕駛的車上）

注

• 注1：會使密度變得更大。
• 注2：操控起來更難。
• 注3：聽起來好有道理啊。
• 注5：「gas giant」中的「gas」來源於希臘語中的代表虛空的詞khaos，所以穿過氣體巨行星大氣的載具（skaphe）應該被稱作「khaoskaphe」。