刘慈欣、吴京带你看懂《流浪地球》里的科学奥秘

帮5买 · 发表于: 2019-2-6 11:46:00

源自：科普中国

　　今天，期盼已久的春节档最耀眼的电影──《流浪地球》终于上映了！这部由刘慈欣小说《流浪地球》改编的同名电影，历时4年与观众见面，仿佛让人等了几个世纪之久。终于，今天中国科幻电影正式起航！本片除刘慈欣监制以外，更有吴京、李光洁、吴孟达等强大演员阵容助阵。超前点映口碑炸裂，看过的观众纷纷表示“稳了”！

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被誉为当代中国科幻“四大天王”之一的作家韩松撰文：“好多人都看哭了”

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金马影帝、十亿票房担当的徐峥直接给出了最高评价

　　显然，为了打造中国第一部真正的硬科幻电影，剧组做了大量的功课，整部电影对太空、航天、机械等有着丰富的表现。无论你是不是科幻迷，这都是一部值得二刷三刷的电影！

刘慈欣、吴京、龚格尔向科普中国的网友拜年
　　硬科幻的魅力是什么？大概就是能跳出故事本身，让我们对生活产生不一样的思考。现实中，“流浪地球”真的可能发生吗？明知靠近木星有危险，为什么地球还要走这条路？
　　带着种种疑问和思考，让我们一起恶补，共同走进科学的奥秘！

为什么要去木星？
　　故事背景是这样的：太阳急速老化，不断膨胀，太阳系已经不适合人类生存，于是人类为自己选了一个新的家园──比邻星（半人马座三星）。

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比邻星同太阳一样，都是恒星，但质量只有太阳的八分之一

　　地球是个庞然大物，半径6371公里，重达59万亿亿吨。但人类造出了同样庞大的行星发动机，足以在5年左右将地球推进到逃逸速度（脱离太阳引力的最低速度）。

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行星发动机示意图

　　但这个速度还远远不够。比邻星（半人马座三星）距离地球4.3光年，如果按照逃逸速度航行，需要7.7万年才能抵达，这实在是太漫长了！
　　即使行星发动机继续加速，达到光速的百分之一仍然不可行。于是人类想到了借助木星的“引力弹弓”，令地球零消耗改变方向、提升速度，最后到达比邻星。

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　　那为什么行星发动机不能加速到百分之一光速呢？这是因为行星发动机的能量来自“重元素聚变”。

重元素聚变有什么限制？
　　所谓重元素聚变并不是什么稀奇玩意儿。在宇宙深处有不少恒星“巨无霸”，内部就在进行着重元素聚变。

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　　重元素聚变的质能转换效率是相当低的。最乐观估计，地球要达到逃逸速度，也必须烧掉7亿亿吨的石头，相当于把全球的地面挖掉40米做为燃料；要达到光速的百分之一，则必须削去地壳的一半。
　　如果无法靠自己的力量推动地球，那就借助精巧的轨道计算，利用天文尺度的力量──万有引力。于是人类将目光投向木星，这就是电影前半段上演的。

木星的引力弹弓是怎么回事？
　　航天中存在引力弹弓现象，利用它，可以令航天器零消耗低改变方向、提升速度，送达目标轨道。

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　　引力弹弓一般发生在一对重量相差悬殊的天体之间。这里我们用木星（红色球）和地球（蓝色球）举个例子，如图a和图b所示。
　　地球以速度V靠近木星，而木星在轨道上以速度U运行↓↓↓

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图a 引力弹弓的示意图

　　足够靠近后，地球被木星引力抓住，牵引，优雅地转体半周，然后像掷铁饼那样甩出去↓↓↓

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图b 引力弹弓的示意图

　　感谢木星甘当人梯的奉献精神，地球获得了木星的轨道速度U，叠加上原有的速度V，速度增加到了U+V。地球的速度和能量都增加了，却没有消耗任何燃料，就奔着新家园去了。

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　　但如果变轨时离一颗巨行星太近的话，这趟“观光旅行”可就要不怎么愉快了。

靠近木星时，行星发动机大批熄火
　　当地球靠近木星时，人类突然遭遇了巨大危机：数千台行星发动机故障熄火了，全球地震，火山爆发，岩浆吞没了地下城……

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图中红线部分为长城

　　为什么几千台发动机会同时熄火呢？为什么地震、火山都赶在这个时候来凑热闹呢？这一切灾难的根源是“洛希极限”，简单说就是地球离木星太近了，太近会发生什么呢？

超过洛希极限会发生什么呢？
　　洛希极限（Roche limit）是天文学中的一个特殊的距离。当两个天体的距离少于洛希极限时，它们就倾向于被“潮汐力”撕碎。
　　计算表明，地球和木星的距离如果低于103万公里，那么大气就会在潮汐力的作用下脱离地球；如果距离低于7.44万公里，那整个地球都会被撕碎。

　　潮汐力有多可怕，我们拿一个茶壶和茶杯举例子：

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图c 用来演示潮汐力的茶杯

　　我们在杯壁顶部倒一些水，让它在重力作用下向着杯底滑落。越靠近杯底，水滴会越拉越长，最后被拉扯到了撕裂的极限。这个极限就可以被认为是这个茶杯对水滴的“洛希极限”。
　　木星的引力场，实际上就是这样一个“茶杯”。地球尺寸很大，当它靠近木星时，离木星较近一侧受到的引力，将比较远一侧大得多，因此会像水滴一样被逐渐撕裂。

　　《流浪地球》电影中，地球已经到达了地木“流体洛希极限”（地木距离103万公里）。在此处，液体和气体不再能被地球引力束缚，而倾向于逃逸；而岩石还勉强能凭借自身的硬度坚持一会儿↓↓↓

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图d 地木流体洛希极限模拟（二维简化模型）

　　再靠近木星一点，地球将进入地木“刚体洛希极限”（地木距离7.44万公里）。在此处，就连坚硬的岩石都会被引力差撕碎，地球将彻底解体↓↓↓

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图e 地木刚体洛希极限模拟（二维简化模型）

　　可以想象《流浪地球》中，人类面临的是怎样的绝望了。太靠近木星不行，那样会被潮汐力撕碎；太远离木星也不行，那样无法借助引力弹弓变轨……

好的科幻对科学有指向意义
　　限于时间和篇幅，在此只能对《流浪地球》中两个关键情节的科学背景进行讨论。实际上电影中涉及的科学知识非常多，设定详实，且高度融入剧情。
　　最重要的是，它们引出了很多值得思考的问题。从这个角度看，一部好的科幻电影真的能开启观众、尤其是孩子们的想象力与求知欲。好的科幻作品，尤其是硬科幻，对于科学是有比较强烈的指向意义。
　　在春节之际看到这样一部国产科幻电影，娱乐之余，还能传递科学知识与科学精神。
　　让我们一起为中国科幻点赞！

　　本文专家：木辛君，清华大学航天航空学院工程力学系在读博士，中国科幻银河奖/星云奖获奖作者
　　本文审核：刘慈欣，高级工程师，科幻作家，中国作协会员，小说《流浪地球》作者、电影监制

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