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[工程技术知识]假如地球上悄然出现了一个“十倍重力异常区”，它会被各国列为最高机密，还是成为改写物理学定律的圣地？ |
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欢迎从物理学、地质学、气象学、生物学、军事、政治乃至科幻故事的角度，展开你的推理或想象。你认为最先被观察到的征兆会是什么？人类最终会适应，还是毁灭于此… |
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你永远可以相信理论物理学家特别是唯象学家们的模型构造能力。 只要今天发现这么一个「十倍重力异常区」，那接下来几天arXiv的hep-ph板块一定比意大利炮包围下的平安县城还热闹。 在新物理的角度构造模型来解释这个「十倍重力异常区」并不是什么难事。 举个例子。 我们可以引入一个具备环境触发屏蔽机制的标量场 ϕ" role="presentation">? \phi ，使物质并非只在爱因斯坦度规 gμν" role="presentation">gμνg_{\mu\nu} 上自由落体，而是最小耦合到Jordan frame度规 g~μν=A2(ϕ)gμν" role="presentation">g~μν=A2(?)gμν\tilde g_{\mu\nu}=A^2(\phi)\,g_{\mu\nu}。相应的作用量可写为 S=∫d4x−g[MPl22R−12(∂ϕ)2−V(ϕ)]+Sm[ψ, g~μν],g~μν=A2(ϕ)gμν" role="presentation">S=∫d4x?g[MPl22R?12(??)2?V(?)]+Sm[ψ, g~μν],g~μν=A2(?)gμνS=\int d^4x\sqrt{-g}\left[\frac{M_{\rm Pl}^2}{2}R-\frac12(\partial\phi)^2-V(\phi)\right]+S_m\!\left[\psi,\ \tilde g_{\mu\nu}\right], \qquad \tilde g_{\mu\nu}=A^2(\phi)\,g_{\mu\nu} 。 在地球附近的弱场低速极限，非相对论粒子感受到的有效引力势不再仅是牛顿势 ΦN" role="presentation">ΦN\Phi_N ，而是 Φeff(r)=ΦN(r)+ln⁡A(ϕ(r))" role="presentation">Φeff(r)=ΦN(r)+ln?A(?(r))\Phi_{\rm eff}(\mathbf r)=\Phi_N(\mathbf r)+\ln A(\phi(\mathbf r)) ， 因此加速度为 a=−∇Φeff=−∇ΦN−∇ln⁡A(ϕ)≡aN+aϕ" role="presentation">a=??Φeff=??ΦN??ln?A(?)≡aN+a?\mathbf a=-\nabla \Phi_{\rm eff}= -\nabla\Phi_N - \nabla\ln A(\phi)\equiv \mathbf a_N+\mathbf a_\phi ， 其中额外的第五力可以写成 aϕ=−β(ϕ)MPl∇ϕ,β(ϕ)≡MPldln⁡Adϕ" role="presentation">a?=?β(?)MPl??,β(?)≡MPldln?Ad?\mathbf a_\phi=-\frac{\beta(\phi)}{M_{\rm Pl}}\nabla\phi,\qquad \beta(\phi)\equiv M_{\rm Pl}\frac{d\ln A}{d\phi} 。 若某个区域内 |aϕ|≈9g" role="presentation">|a?|≈9g|\mathbf a_\phi|\approx 9g，就会表现为总重力 g′≈10g" role="presentation">g′≈10gg'\approx 10g 而无需埋入天文数量级的等效质量。这里关键不在于 ρ" role="presentation">ρ \rho 变大，而在于 ln⁡A(ϕ)" role="presentation">ln?A(?)\ln A(\phi) 出现了足够强的空间梯度。 要让这种额外加速度只在某个区域出现且外界基本正常，最自然的机制是所谓的Symmetron（对称子）式的密度触发相变屏蔽：在高密度环境下 ϕ" role="presentation">? \phi 被压回 ϕ=0" role="presentation">?=0 \phi=0 从而几乎不耦合，在低密度环境下发生自发对称性破缺， ϕ" role="presentation">?\phi 取非零真空值并开始显著耦合。一个标准而计算上最简洁的取法是势能 V(ϕ)=V0−12μ2ϕ2+14λϕ4" role="presentation">V(?)=V0?12μ2?2+14λ?4V(\phi)=V_0-\frac12\mu^2\phi^2+\frac14\lambda \phi^4 ， 并取共形因子在小场下的二阶近似 A(ϕ)=1+ϕ22M2⇒ln⁡A≃ϕ22M2,β(ϕ)≃MPlϕM2" role="presentation">A(?)=1+?22M2?ln?A??22M2,β(?)?MPl?M2A(\phi)=1+\frac{\phi^2}{2M^2}\quad\Rightarrow\quad \ln A\simeq \frac{\phi^2}{2M^2},\qquad \beta(\phi)\simeq \frac{M_{\rm Pl}\phi}{M^2} 。 在给定非相对论物质密度 ρ" role="presentation">ρ \rho 的背景中，场的有效势为 Veff(ϕ;ρ)=V(ϕ)+ρ(A(ϕ)−1)≃V0+12(ρM2−μ2)ϕ2+14λϕ4" role="presentation">Veff(?;ρ)=V(?)+ρ(A(?)?1)?V0+12(ρM2?μ2)?2+14λ?4V_{\rm eff}(\phi;\rho)=V(\phi)+\rho\,(A(\phi)-1) \simeq V_0+\frac12\left(\frac{\rho}{M^2}-\mu^2\right)\phi^2+\frac14\lambda\phi^4 ， 从而出现临界密度 ρcrit≡μ2M2" role="presentation">ρcrit≡μ2M2\rho_{\rm crit}\equiv \mu^2 M^2 。 当 \rho_{\rm crit} ">ρ>ρcrit" role="presentation">ρ>ρcrit \rho>\rho_{\rm crit} 时，有效势在 ϕ=0" role="presentation">?=0\phi=0 处单极小， ϕ≃0⇒β≃0⇒aϕ≃0" role="presentation">??0?β?0?a??0\phi\simeq 0\Rightarrow \beta\simeq 0\Rightarrow \mathbf a_\phi\simeq 0 ，第五力被屏蔽。当 ρ<ρcrit" role="presentation">ρ<ρcrit\rho<\rho_{\rm crit} 时，有效势出现两个对称极小值 ϕ=±v(ρ),v(ρ)=μλ1−ρρcrit" role="presentation">?=±v(ρ),v(ρ)=μλ1?ρρcrit\phi=\pm v(\rho),\qquad v(\rho)=\frac{\mu}{\sqrt\lambda}\sqrt{1-\frac{\rho}{\rho_{\rm crit}}} ， 这时 ϕ≠0⇒β≠0" role="presentation">?≠0?β≠0 \phi\neq 0\Rightarrow \beta\neq 0 ，第五力在该环境下被打开。因此，十倍重力异常区可以在概念上被构造为一个解屏蔽泡（unscreened bubble）：外界绝大多数地方等效密度 \rho_{\rm crit} ">ρout>ρcrit" role="presentation">ρout>ρcrit \rho_{\rm out}>\rho_{\rm crit} 因而 ϕ≈0" role="presentation">?≈0\phi\approx 0 。而异常区内部由于某种特殊环境使 ρin<ρcrit" role="presentation">ρin<ρcrit \rho_{\rm in}<\rho_{\rm crit}， ϕ" role="presentation">?\phi 稳定在 ±v(ρin)" role="presentation">±v(ρin) \pm v(\rho_{\rm in}) 附近。泡壁处 ϕ" role="presentation">? \phi 从 ±v" role="presentation">±v\pm v 回到 0" role="presentation">00 ，会形成一个厚度由外界有效质量决定的边界层。在外界（对称相）中 0">mout2=d2Veffdϕ2|ϕ=0,ρ=ρout=ρoutM2−μ2>0" role="presentation">mout2=d2Veffd?2|?=0,ρ=ρout=ρoutM2?μ2>0m_{\rm out}^2=\left.\frac{d^2V_{\rm eff}}{d\phi^2}\right|_{\phi=0,\rho=\rho_{\rm out}} =\frac{\rho_{\rm out}}{M^2}-\mu^2>0 ， 从而泡外近似满足 (∇2−mout2)ϕ≃0" role="presentation">(?2?mout2)??0(\nabla^2-m_{\rm out}^2)\phi\simeq 0 ，解呈指数衰减 ϕ(r)∝e−moutr/r" role="presentation">?(r)∝e?moutr/r \phi(r)\propto e^{-m_{\rm out}r}/r 。这提供了一个自然的局域性：只要外界足够高密度使 mout" role="presentation">mout m_{\rm out} 足够大（即 mout−1" role="presentation">mout?1m_{\rm out}^{-1} 足够短），异常就能在泡外几倍 mout−1" role="presentation">mout?1m_{\rm out}^{-1} 的距离内迅速消失，使得十倍重力只在某个区域显著而不在全球普遍出现。 在该框架中，额外加速度来自 ln⁡A(ϕ)" role="presentation">ln?A(?) \ln A(\phi) 的空间变化。由 ln⁡A≃ϕ2/(2M2)" role="presentation">ln?A??2/(2M2) \ln A\simeq \phi^2/(2M^2) 得 aϕ=−∇ln⁡A≃−∇(ϕ22M2)=−ϕM2∇ϕ" role="presentation">a?=??ln?A???(?22M2)=??M2??\mathbf a_\phi=-\nabla\ln A\simeq -\nabla\left(\frac{\phi^2}{2M^2}\right) = -\frac{\phi}{M^2}\nabla\phi 。 若在异常区内部 ϕ" role="presentation">? \phi 的典型幅度为 v" role="presentation">vv ，并在某个特征尺度 L" role="presentation">LL 上发生变化（例如随高度 z" role="presentation">zz 的变化），则数量级估计为 |∂zϕ|∼v/L" role="presentation">|?z?|～v/L |\partial_z\phi|\sim v/L ，从而 aϕ∼v2M21L,aϕ≃9g⇒(vM)2∼aϕL" role="presentation">a?～v2M21L,a??9g?(vM)2～a?La_\phi\sim \frac{v^2}{M^2}\frac{1}{L},\qquad a_\phi\simeq 9g \Rightarrow \left(\frac{v}{M}\right)^2\sim a_\phi L 。 我们也可以把 aϕL" role="presentation">a?La_\phi L 看成无量纲量。在自然单位 c=ℏ=1" role="presentation">c=?=1c=\hbar=1 下， 1m/s2≈2.2×10−24eV" role="presentation">1m/s2≈2.2×10?24eV1\,\mathrm{m/s^2}\approx 2.2\times10^{-24}\,\mathrm{eV}， 1m≈5.07×106eV−1" role="presentation">1m≈5.07×106eV?11\,\mathrm{m}\approx 5.07\times10^{6}\,\mathrm{eV^{-1}}，因此 aϕL" role="presentation">a?La_\phi L 对宏观尺度并不必然巨大。若 L=1 km，则 aϕL∼(9g)×1km∼10−12" role="presentation">a?L～(9g)×1km～10?12a_\phi L\sim (9g)\times 1\,\text{km}\sim 10^{-12}，对应 v/M∼10−6" role="presentation">v/M～10?6v/M\sim 10^{-6}；若 L=100 km，则 aϕL∼10−10" role="presentation">a?L～10?10a_\phi L\sim 10^{-10} ，对应 v/M∼10−5" role="presentation">v/M～10?5v/M\sim 10^{-5} 。这说明实现十倍重力的关键并不是要求 ϕ" role="presentation">? \phi 本身达到某个夸张的绝对值，而是要求在区域尺度 L" role="presentation">LL 上形成足够的 ϕ" role="presentation">? \phi 梯度并由耦合尺度 M" role="presentation">MM 将其转化为 ln⁡A" role="presentation">ln?A \ln A 的梯度。 为了让这一框架变成可计算的近场模型，还需要给出泡内、泡外的近似场型。泡内（破缺相）在 ϕ≈v(ρin)" role="presentation">?≈v(ρin)\phi\approx v(\rho_{\rm in}) 附近的有效质量为 min2=d2Veffdϕ2|ϕ=v(ρin)=2μ2(1−ρinρcrit)" role="presentation">min2=d2Veffd?2|?=v(ρin)=2μ2(1?ρinρcrit)m_{\rm in}^2=\left.\frac{d^2V_{\rm eff}}{d\phi^2}\right|_{\phi=v(\rho_{\rm in})} =2\mu^2\left(1-\frac{\rho_{\rm in}}{\rho_{\rm crit}}\right) 。 若取参数使 minL≪1" role="presentation">minL?1m_{\rm in}L\ll 1 ，则在泡内场方程可近似为 ∇2ϕ≃0" role="presentation">?2??0 \nabla^2\phi\simeq 0 （或仅含弱非线性），在泡壁边界条件 ϕ→0" role="presentation">?→0 \phi\to 0 与泡内偏置条件（由初值、几何、或缓慢变化的背景密度场决定）下， ϕ" role="presentation">?\phi 可以在泡内呈现近似线性的空间变化，从而给出近似常量的 ∇ϕ" role="presentation">?? \nabla\phi 与近似常量的 aϕ" role="presentation">a?a_\phi，宏观上表现为该区域重力几乎整体放大到10g。泡外由于 mout" role="presentation">moutm_{\rm out} 大而呈指数衰减，从而把异常束缚在一个有限范围内，实现只在一个区域内显著的题目设定。 |
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引力是时空膜的弯曲。如果地球上能“悄然”出现“一个”十倍重力异常区域。 1.悄然，证明相邻区域不受其影响，这是一个接近垂直⊥曲率的重力井。 2.一个，没有在地球的对折点成对出现，证明这是个单极性时空结构，且底部位于地球内部。 那么只有两种情况： 1.宇宙空间是不连续的??断片人生 2.交界区域的曲率K趋近于正无穷??黑洞奇点，底部区域的曲率K趋近于负无穷??白洞奇观 以此为基础，人类科技肯定是可以制备出黑洞级的强相互作用力材料的。 1.在十倍重力异常区边缘处，可以建大型轮式发电机。 好消息，电力无限。配重块进入异常区瞬间增加十倍重力势能，旋转出异常区后重力势能回复正常，转子组可以得到一个永久性9G加速度用来发电。 坏消息，能量失控。因为每圈都能加速9个G，愚蠢的工程师忘了合电闸，无法输出电力的发电机，不用转到4000000圈，配重块就超光速了。 好消息，宇宙奇观。你得到了一个直径12800公里的太空大烟花。 坏消息，家都没了。好几光年以外的三体人看到你创造的盛世美景都感动的流泪。 2.如果始终没有人工干预的自然条件下（人工就是想干预其实也没卵用）。 第001小时，神说要有光。经过重力井黑洞上空的空气分子不断被重力垂直加速下降，然后后浪推前浪，堆叠在重力井底部的气体分子从井底白洞溢出，释放重力势能撞击外界物质转化为“光和热量”，推动井壁外周边气体加热上升，补充进入加速循环，周边化为一个顶部大漩涡，底部大喷泉的空气涡旋。 第012个小时，周边固态物质被高温熔融，进入加速循环，周边全部化为一个顶部大漩涡，底部大喷泉的高热发光体热盐涡旋。 第024小时，神说创造天空，地球整体化为一个顶部大漩涡，底部大喷泉的等离子态风暴。 第048小时，神说能量海洋，加速循环导致重力井底部轻核元素的核聚变。 第144小时，神说进入天堂，速度越快??质量越重??加速能量获取越多??速度越快，地球所有物质进入近光速循环。 第168小时，神说创世纪。超光速，欢迎来到新纪元。 |
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一般来说，这种脑洞都忽略了一个问题 地球，甚至整个太阳系，整个银河系，都是在一刻不停地动的，你这个所谓的“十倍重力异常区”到底要怎么才能配合这种运动呢 |
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赶紧逃命啊鱼唇的人类！ 居然还有人想着发电？作为一名弱鸡人类，建议是马上找地方藏起来，因为地球大气系统几乎肯定会马上崩溃了。 在地球上这个重力异常区很显然从一开始就会完全浸没于一种流体中：空气。远远轮不到你跑去搞什么“永动机”，这个永动机天然就会存在。无论这个重力异常区域有多大，只要它的范围延伸到卡门线以上，几乎肯定一定会引发两个大气效应： 1、下击暴流； 2、卷吸效应。 那是10倍正常重力，跑去计算具体的空气流动是个搞笑的事情，这么大的重力可以肯定一定会引发区域内空气急速下坠，因为重力异常持续存在，这个扰动是发散的，没有任何东西能够让它收敛，则这是一股风速逐渐增大的、方向垂直地面向下的、稳定的高速气流。 气流对区域外的空气具有“拖拽”效应也就是卷吸效应，因为大气压的存在，异常区附近的空气会持续“挤”进被排空的异常区，会被高速向下气流牵引，从而把异常区内部的下击暴流放大，这种放大会一直持续扩散直到形成新的稳定状态。 |
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简而言之：你会看到一个大头朝上的超级龙卷风。 这事儿的灾难性效果很显然是当前的人类所无法接受的，这个扰动并不收敛，因此不管这个异常区的面积有多大，只要它很明显大于量子尺度，比如说直径有个十厘米、几十米，就一定会引发一场持续的、大头朝上的巨型龙卷风。 这个超级“逆龙卷”会带来一个没办法解决的问题，也就是高空冷空气高速下击到地面。 |
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有点类似于台风眼里面发生的事情，高空冷空气被抛到地面来，但是台风眼本身是收敛的，风力有一个上限；你这个重力异常区是不收敛的，风力是没有理论上限的。 结果显而易见，整个地球的天气系统陷入紊乱，到处是莫名其妙的极端天气，重力异常区附近一定会像南北极一样冷，地球别的地方是啥样我就不敢确定了。 有一种可能性：全球其余地区全部沦为彻头彻尾的沙漠。因为太阳向地球辐射的热量不变，异常区附近空气内能被异常的重力强制转化为动能，整个地球的气温必然急剧降低，海洋冻结、大地荒漠化。 你这个异常区其实就是个高效的涡流管制冷。 |
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最终这个重力异常区的收敛点可能是全球空气中的水蒸气彻底冻结在异常区附近，形成某种奇怪的冰山结构，终止了下击暴流和卷吸效应，达成新的大气平衡。不管这种平衡是多么的奇怪，地球都给你冻结了，人类文明都嗝儿屁了。 当然，这里面没有计算重力异常导致的地球公转、自转轨道异常。很显然，重力异常区突然指向太阳的时候，假设重力异常区不会被突然增加的引力“拔”出来，那么整个地球公转轨道、自转轨道一定会被干扰。 总之，在你弄出“69”永动机之前，人类文明都要完犊子。 |
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在左侧顶部流下的水，获得10mgh的动能，会克服右侧的重力流回上来，至顶部还剩9mgh动能，然后流至底部有19mgh动能，一直循环往复，而且还循环速度越来越快，每圈动能加9mgh，这不仅是永动机，还是个加速器。 |
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水管环面、地面、重力突变面，两两垂直 这个永动机，仅仅是永远运动的机，并不能创造能量，水增加的机械能来自地球减小的机械能。 现实情况还有阻力，摩擦生热、湍流，会降低流速增大的速度，但是流速还是可能越来越大，直到冲破水管。需要特殊设计，使在特定速度，一个循环的摩擦耗能等于9mgh，此时速度达到最大值，不再持续增大。 |
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