วิทยาศาสตร์ของThe Wandering Earth

จะเกิดอะไรขึ้นถ้า เราจะย้ายโลกหนีดวงตะวันที่กำลังจะกลายเป็นดาวยักษ์แดงเพื่อไปเริ่มต้นใหม่ที่ระบบสุริยะ Proxima Centauri ที่ห่างออกไป 4 ปีแสงด้วยการเอาไอพ่นติดโลกเร่งความเร็วออกจากระบบสุริยะจักรวาล หนังเรื่อง Wandering Earth เป็นจุดรวมของสารพัดสถานการณ์ What If จะเกิดอะไรขึ้นถ้าดวงอาทิตย์ดับ จะเกิดอะไรขึ้นถ้าโลกหยุดหมุน จะเกิดอะไรขึ้นถ้าโลก...ฯลฯ หนัง จับสาระตอนที่โลกเข้าสู่ช่วงการเข้าทำ Gravity Assist ขโมยพลังงานจลน์จากดาวพฤหัส ทว่า ด้วยแรงโน้มถ่วงของดาวพฤหัส สร้างแรงไทดัลขนาดมหาศาลจนเปลือกโลกเคลื่อนเกิดแผ่นดินไหว เครื่องยนต์โลกดับ และมนุษยชาติต้องพยายามแก้วิกฤติการเพื่อกู้กำลังเครื่องยนต์เพื่อจะหลุดจากการชนกับดาวพฤหัสได้ และสถานการณ์ที่หนังเรื่องนี้จำลองไว้ แสดงให้เห็นว่า ทีมสร้างมีการขบโจทย์ทางฟิสิกส์ไว้เป็นอย่างดีทีเดียว


น้ำท่วมจากการหยุดโลก
ฉากที่ว่านี่เป็นฉากข่าว โดยที่โลกเรามีการป่องตรงกลางจากการเหวี่ยงหมุนรอบตัวเอง ผลของการหยุดโลกจะทำให้มวลน้ำเคลื่อนขึ่นทางขั้วโลกเหนือและลงไปที่ขั้วโลกใต้ แผ่นดินไหล่ทวีปจะโผล่เชื่อมประเทศใน้ขตเส้นศูนย์สูตรและเกิดน้ำท่วมในแถบยุโรป และการขนส่งหินที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์โลกสามารถขนส่งผ่านไหล่ทวีปได้ตั้งแต่โลกหยุดหมุนและอาจไม่ต้องรอให้น้ำทะเลแข็งด้วยซ้ำ

เปลวไอพ่นโลก
ลักษณะของเปลวไอพ่นโลกที่ขับจากหลายๆที่บนโลกค่อยๆรวบลงเป็นเส้นเดียวตรงกลางแม้จะดูแปลก แต่มันเป็นสิ่งที่ถูกต้อง ซึ่งในหนังหรืออนิเมเก่าๆอย่าง DieBuster ทำพลาด เพราะกลศาสตร์ของขนาด ถ้าวัตถุมีขนาดใหญ่ถึงระดับหนึ่ง แรงโน้มถ่วงจากมวลจะมีผลดึงให้เปลวไอพ่นที่เล็งไปด้านหลังโน้มตกลงสู่โลก นั่นคือแม้อนุภาคในเปลวไอพ่นมันจะมีความเร็วสูงกว่าความเร็วหลุดพ้นของโลกแต่มันก็จะต้องโน้มรวบลงสู่ตรงกลางนั่นเอง

อุณหภูมิเฉลี่ยของโลก -70 องศาที่วงโคจรดาวพฤหัส
นี่เป็นรายละเอียดเล็กๆที่ผู้เชี่ยวชาญด้าน Heat transfer จะสังเกต ถ้าเราอิงอุณหภูมิ Blackbody Radiation อุณหภูมิของโลกสามารถลงได้ถึง -170 องศาที่วงโคจรดาวพฤหัส ทว่า โลกเรามีทั้งแหล่งความร้อนจากแกนโลก และมีพลังงานสะสมในเนื้อโลก ในน้ำ ดังนั้น อุณหภูมิของโลกจะสูงกว่าอุณหภูมิดาวพฤหัส และสูงกว่าอุณหภูมิ Blackbody

แผ่นดินไหวจากแรงไทดัลดาวพฤหัส
ดาวพฤหัส มีแรงโน้มถ่วงราว 2000 เท่าของดวงจันทร์ และการทำ Gravity Assist ยิ่งเข้าใกล้ ยิ่งขโมยพลังงานจากดาวพฤหัสได้มาก แต่มันก็ได้รับผลกระทบจากแรงไทดัลมากเช่นกัน และตรงนี้เป็นกุญแจสำคัญของพลอตที่ผลกระทบของแรงไทดัลนี้มีการดึงให้ผิวโลกมีการโก่งเคลื่อนเกิดเป็นแผ่นดินไหวขนาดใหญ่จนทำให้เครื่องยนต์โลกชำรุดและเหล่าตัวเอกต้องเร่งมือเข้าแก้ไขวิกฤติการณ์

สำหรับปัญหาของหนังเรื่องนี้ มันจะมีประเด็นเรื่องที่มาของพลังงานและสารขับดัน ที่ต้องใช้ในการส่งโลกไปถึง Proxima Centauri ภายในระยะเวลาเพียง 2500 ปี และแทคติกต่างๆในการประหยัดพลังงาน ซึ่งจะเอามาขบคิดกันต่อไป

ปริมาณสารขับดันที่ต้องใช้ ในการส่งโลกไปจนถึง Proxima Centauri ภายในเวลา 2500 ปี
 

ในเรื่อง Wandering Earth มนุษย์ยังไม่มีวาร์ป และเรายังขับเคลื่อนด้วยหลักอนุรักษ์โมเมนตั้ม เราพ่นมวลไอพ่นไปด้านหลังเพื่อที่เราจะเคลื่อนไปข้างหน้า ความเร็วของสารขับดันขั้นต่ำจะต้องเร็วกว่าความเร็วหลุดพ้นของโลก หรือ 11.2 km/s มิฉะนั้น มันจะไม่หลุดจากโลกและไม่เกิดการขับเคลื่อน ในขณะเดียวกัน มันก็จะชนข้อจำกัดปริมาณมวลของโลกที่สามารถใช้ขับดันตัวโลกเอง

การเดินทางไป Proxima Centauri โลกจะต้องผ่านขั้นตอนคือ
1. เอาชนะอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์
2. เร่งความเร็วไปถึง 0.05 ความเร็วแสง (15,000 km/s)
3. ชะลอความเร็วจนได้ความเร็วพอดีกับการเข้าวงโคจรของดาวฤกษ์ Proxima Centauri

ในการเร่งความเร็วไปจนถึง 0.05C เมื่อทำนายปริมาณสารขับดันที่ต้องใช้ด้วยสมการ Tsiolkovsky จะพบว่าด้วยความเร็วของสารขับดัน Ion Thruster ที่ปัจจุบันทำได้ดีสุดที่ความเร็ว 50 km/s โลกจะต้องใช้สารขับดันเป็นปริมาณ 30% ของมวลโลกเพียงเพื่อจะเดินทางไปถึงดาวพฤหัส และมวลโลกที่เหลือเมื่อเดินทางถึง Proxima Centauri จะเหลือไม่ถึงอะตอมนึงด้วยซ้ำ เพราะความเร็วสารขับดันนั้นน้อยเกินไปกว่าจะเร่งความเร็วของโลกได้ถึง 0.05C ตรงนี้ มนุษย์ควรตั้งเป้าระยะเวลาในหลักแสนหรือล้านปี ด้วยความเร็วราว 15-20 km/s เพื่อที่เราจะเหลือมวลเนื้อโลกสัก 60-70% ซึ่งเราคงจะพอเรียกส่วนที่เหลือนี้ว่าโลกได้

แต่ถ้าเราต้องการจะใช้เวลาเพียง 2500 ปี และเหลือเนื้อมวลสารโลกสัก 40% เมื่อไปถึง Proxima Centauri เราต้องการความเร็วสารขับดันที่ 30,000 km/s หรือมีความเร็วที่ 0.1C ครื่องยนต์ Earth Engine จะต้องมีสภาพเป็นเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์ การลดปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ ในการเดินทางไปจนถึงดาวพฤหัส เพื่อการทำ Gravity Assist เป็นสิ่งสำคัญของแผนการ เพื่อจะให้เหลือมวลโลกมากที่สุดเมื่อถึงที่หมาย ซึ่งเราจะมาคุยกันเรื่องการปรับวงโคจรให้โลกไปถึงดาวพฤหัสในหัวข้อถัดไป

การขยายวงโคจร

ทุกกิโลกรัมเชื้อเพลิงที่ประหยัดลงไปได้ จะหมายถึงราคาโครงการที่ลดลงมหาศาล การเดินทางในอวกาศ เรามีทริกการประหยัดเชื้อเพลิงสารขับดันที่ต่างจากการเคลื่อนที่บนโลก

การเดินทางจากโลกไปยังดาวเคราะห์ใดๆในระบบสุริยะจักรวาลนี้เราไม่ได้เดินทางเป็นเส้นตรง เส้นโค้ง เราใช้การขยายวงโคจรไปทับวงโคจรเป้าหมาย การสิ้นเปลืองพลังงานจะไม่แปรตามระยะทางเดี่ยวๆแต่แปรตามพื้นที่วงโคจร พลังงานที่ต้องใช้ในการเดินทางจะแปรผันกับพื้นที่วงโคจรที่เพิ่มขึ้นเสมอ แต่เคปเลอร์ได้บอกไว้ว่า ดาวเคราะห์สามารถโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี ซึ่งเท่ากับว่า ...

การขยายวงโคจรสามารถขยายแค่ทิศทางเดียวเป็นวงรีก็ได้

ในการขยายวงโคจรทั้งวงถ้าดูตามรูปซ้าย คำนวณด้วยหลักความเร็วหลุดพ้น เราจะต้องใช้สารขับดัน(ที่ความเร็ว 0.1C) เป็นปริมาณ 4x1021 kg ในการขยายวงโคจรโลกมาถึงดาวพฤหัส แต่ถ้าเราขยายวงโคจรแค่แนวเดียวเป็นวงรีดังรูปขวา เราจะใช้สารขับดันเพียงราว 1x10^21 kg เปรียบเทียบได้โดยเอาพื้นที่สีเทามาเทียบกัน พลังงานที่ต้องใช้ ต่างกันราว 4-5 เท่า แน่นอนว่า Wandering Earth ก็ย่อมจะใช้แทคติกนี้เพื่อประหยัดการใช้สารขับดัน เพื่อจะได้เหลือเนื้อมวลโลกมากขึ้นเมื่อถึงที่หมาย และวงโคจรแบบวงรี จะมีมุมที่จะขโมยพลังงานจากการทำ Gravity Assist กับดาวพฤหัสได้

สำหรับรูปประกอบการขยายวงโคจรเป็นวงรีนี่ต้องบอกว่า การเพิ่มความเร็วในการปรับวงโคจรจะเป็นวงรีหรือวงกลม คาบการโคจรมันจะมีการเปลี่ยน มีนจะไม่เป็นวงรีในแนวเดียวกันเด๊ะๆ แต่จัดให้เป็นแนวคาบเดียวกันเพื่อให้เทียบพื้นที่ง่ายๆละนะ

ในส่วนสุดท้าย เราจะมาพูดถึงพลังงานและต้นกำลังที่ต้องใช้ในการเดินทางของ Wandering Earth เพราะ ความเร็วของสารขับดันยิ่งสูง แม้จะประหยัดมวลสารขับดันแต่มันก็จะสิ้นเปลืองพลังงานมาก 

ปัญหาพลังงานของการเดินทาง

เพื่อที่โลกจะเดินทางไปถึง Proxima Centauri ภายใน 2500 ปีโดยยังจะเหลือมวลสารเนื้อโลกพอสมควร เราต้องใช้สารขับดันที่ความเร็วอย่างน้อย 0.1C (C คือความเร็วแสง) แต่การเร่งอนุภาคไปที่ความเร็ว 0.1C ต้องใช้พลังงานมหาศาล ถึงจะคำนวณด้วยหลักนิวตั้นไม่สนใจพจน์ Relativity เราก็ต้องใช้กำลังไฟฟ้าถึง 3×1015 TW อ่านว่าเทร่าวัตต์

เพื่อให้เห็นภาพมากขึ้น ความร้อนจากแกนโลก มีขนาดเพียง 47 TW พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ส่งถึงโลกทั้งหมดมีเพียง 1.6 x 105 TW โดยประมาณ และพลังงานของการสันดาปดวงอาทิตย์ในปัจจุบันมีเพียง 4 x 1014 TW นั่นคือ ขนาดเครื่องยนต์โลก ต้องการเจเนอเรเตอร์ที่ใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ของเราเกือบ 10 เท่าเลยทีเดียว

การจะสร้างพลังงานขนาดนี้ พลังงานนิวเคลียร์ที่เรามีอยู่ทั้งหมดย่อมไม่พอ ต่อให้ใช้ไฮโดรเจนฟิวชั่นจนไฮโดรเจนหมดโลกมันก็คงมีเชื้อเพลิงพอจะเดินเครื่องได้แค่ในหลักวัน ในการนี้ เราต้องการเครื่องยนต์ที่สันดาปมวลของโลกเองได้ ซึ่ง เรากำลังพูดถึงเครื่องยนต์หลุมดำ

เพราะหลุมดำมีการแผ่รังสีฮอว์กกิ้งที่ปริมาณแปรผกผันกับขนาด หลุมดำยิ่งใหญ่การแผ่รังสียิ่งน้อย หลุมดำยิ่งเล็กการแผ่รังสียิ่งมาก ยิ่งหลุมดำที่เกิดขึ้นในเครื่องเร่งอนาภาคของ CERN นี่จะระเหิดหายไปในเวลาราวชั่ว Planck time นั่นคือ ถ้าเราทำหลุมดำขนาดพอดีๆเท่าภูเขาสัก 2-3 ลูก เราเติมมวลลงไป มันจะเปลี่ยนมวลเป็นพลังงานผ่านกลไกการแผ่รังสีฮอว์กิ้ง และตรงนี้เอง เราจะสามารถสร้างเตาปฏิกรณ์ที่มีขนาด Output ระดับดาวฤกษ์ได้ โดยเอาหลุมดำใส่ไว้ตรงกลางโดมกระจกที่เราคอยป้อนมวลเข้าไปและให้มีช่องระบายความร้อนในโครงสร้างกระจกเพื่อแปลงความร้อนเป็นพลังงาน

แต่ปัญหาของปฏิกรณ์หลุมดำก็คือ เราไม่สามารถหยิบจับแตะต้องมันได้เลย สิ่งที่จะมีผลดึงเคลื่อนหลุมดำได้ ก็มีเพียงแรงโน้มถ่วง และถ้าหากเราคุมสร้างแรงโน้มถ่วงได้เราก็คงสร้างวาร์ปได้แล้ว (เพราะการมีอยู่ของอนุภาคจะมีปฏิอนุภาคและการมีกราวิต้อนก็เท่ากับเรามีแอนติกราวิต้อนที่เราจะเอามาสร้างหลุมหนอนหรือวาร์ปได้ แต่ผมจะไม่ขอถั่วงอกตรงนี้ เพราะแค่นี้ก็ยาวพอแล้ว) เตาปฏิกรณ์หลุมดำจะต้องสร้างในอวกาศ ในวงโคจรสถิตย์ เพื่อที่เราจะส่งเชื้อเพลิงหินดินทรายขึ้นไปป้อนหลุมดำก่อนแถมเพราะเราไม่สามารถปล่อยการแผ่รังสีฮอว์กิ้งเป็นไอพ่นออกไปโดยตรงเพราะเราไม่มีการยึดโยงอะไรกับหลุมดำ หลุมดำอยู่ในวงโคจรด้วยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ที่ดุลกับแรงโน้มถ่วง เราต้องเอาพลังงานที่ได้จากเตาปฏิกรณ์ถ่ายลงมาขับ Earth Engine บนโลก แล้วใช้แรงโน้มถ่วงของโลก ลากหลุมดำตามโลกที่เร่งความเร็วไปข้างหน้า

ตรงนี้ อีกข้อสังเกตที่อยากให้เห็น เราจะต้องไม่หยุดโลก ถ้าเราจะใช้เครื่องปฏิกรณ์หลุมดำ เพราะถ้าโลกหยุด เราจะไม่สามารถสร้างลิฟท์อวกาศได้ แต่เราต้องเปลี่ยนแนวหมุนรอบตัวเอง หันขั้วโลกเข้าสู่ระนาบโคจรรอบดวงอาทิตย์ อย่างในรูป เครื่องยนต์โลกสร้างบนทวีปแอนตาร์กติกา ส่วนประเทศในเขตศูนย์สูตรจะสร้างลิฟท์อวกาศเพื่อส่งเชื้อเพลิงขึ้นสู่อวกาศไปป้อนเตาปฏิกรณ์ นั่นเอง

และทั้งหมดนี้คือการแกะความเป็นไปได้ในหนัง The Wandering Earth ไซไฟสัญชาติจีนที่เคลื่อนโลก (ทั้งเชิงเปรียบเทียบและตามตัวอักษร) นำความรู้ทางวิทยาศาสตร์แบบฮาร์ดคอร์ไซไฟสุดๆมาเป็นเคสให้เราเอามาเล่นกัน ผมมีข้อสังเกตเพิ่มด้วยว่า ข้อผิดพลาดหลายๆอย่างในหนัง เช่นการเข้าใกล้ดาวพฤหัสมากๆ ถ้าดูในตอนจบ เมื่อจุดระเบิดไอผสมออกซิเจนจากโลกเข้ากับไฮโดรเจนของดาวพฤหัสแล้วมีอุกาบาตถูกแรงระเบิดกระแทกลงสู่โลก แสดงว่าตามบทหนังสือวงโคจร Gravity Assist ต้องห่างจากเขตวงแหวนดาวพฤหัสออกมา ไม่ได้เข้าใกล้ขนาดที่หนังถ่ายทำ บางทีผมควรไปหาตัวเล่มนิยายมาอ่านด้วย เราอาจได้อรรถรสจากการอ่านดีกว่าดูเป็นหนังที่ถ่ายทำด้วย cg ระดับคุณภาพ Playstation2 เสียอีก

และสุดท้ายนี้ มันยังมีอีกสิ่งที่ The Wandering Earth ได้สอนเรา

The Wandering Earth: moral of the story ...
Don't put the goddamn red dot on any friggin AI. It will say "Hello Dave" and turned murderous evil machine!!!
แสดงความคิดเห็น
โปรดศึกษาและยอมรับนโยบายข้อมูลส่วนบุคคลก่อนเริ่มใช้งาน อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่