探尋《流浪地球》中的科學奧秘

妙妙

2019年的春節(jié)賀歲檔，出現(xiàn)了一匹黑馬，就是被稱為中國科幻電影新紀元的《流浪地球》。這部由劉慈欣同名小說改編的電影，歷時4年與觀眾見面。為了打造這部科幻電影，劇組做了大量的功課。整部電影對太空、航天、機械等方面都有著豐富的表現(xiàn)。電影一開場，就開啟了一個宏大的敘事：太陽將要發(fā)生氦閃劇烈爆炸，人類在地球表面裝了上萬臺發(fā)動機，準備推動地球脫離銀河系，去比鄰的星系。于是地球開始了前途未知的流浪。被宏大的場面刺激眼球的同時，我們不禁也對影片里的科學知識產(chǎn)生了疑問。如：明知靠近木星有危險，為什么地球還要走這條路？為什么接近了木星，地球就會被“撕裂”？帶著種種疑問和思考，讓我們一起來了解影片里的科學解讀和背景，探尋電影中的科學奧秘。

為什么要去木星？

故事背景是這樣的：太陽急速老化，不斷膨脹，太陽系已經(jīng)不適合人類生存，于是人類為自己選了一個新的家園——比鄰星（半人馬座三星）。

比鄰星同太陽一樣都是恒星，但質量只有太陽的八分之一。而地球是個龐然大物，地球赤道半徑約6378千米，重達約59萬億億噸。人類造出了同樣龐大的行星發(fā)動機，計劃在5年左右將地球推進到逃逸速度（脫離太陽引力的最低速度）。但這個速度還遠遠不夠，比鄰星距離地球有4.3光年，如果按照逃逸速度航行，地球需要7.7萬年才能抵達比鄰星，這實在太漫長了！即使行星發(fā)動機繼續(xù)加速，達到光速的百分之一仍然不可行。于是人類想到了借助木星的“引力彈弓”，令地球零消耗改變方向并且提升速度，最后到達比鄰星。

那為什么行星發(fā)動機不能加速到百分之一光速呢？這是因為行星發(fā)動機的能量來自“重元素聚變”。

重元素聚變有什么限制？

所謂重元素聚變并不是什么稀奇玩意兒。在宇宙深處，有不少恒星“巨無霸”的內(nèi)部都在進行著重元素聚變。重元素聚變的質能轉換效率是相當?shù)偷摹?/p>

最樂觀估計，地球要達到逃逸速度，必須燒掉7億億噸的石頭，相當于把全球的地面挖去40米做燃料;要達到光速的百分之一，則必須削去地殼的一半。

如果無法靠自己的力量推動地球，那就只能借助于精巧的軌道計算，利用天文尺度的力量——萬有引力了。于是人類將目光投向了木星。

木星的引力彈弓是怎么回事？

航天中存在引力彈弓現(xiàn)象，利用這種現(xiàn)象可以使航天器零消耗地改變方向、提升速度，送達目標軌道。

引力彈弓一般發(fā)生在一對重量懸殊的天體之間。我們可以看看下面的示意圖。

如圖A，地球以速度V靠近木星，而木星在軌道上以速度U運行。

如圖B，當它們足夠靠近后，地球被木星引力抓住，牽引，優(yōu)雅地轉體半周，然后像擲鐵餅那樣甩出去。

如圖C，地球獲得了木星的軌道速度U，疊加上原有的速度V，速度增加到了U+V。地球的速度和能量都增加了，卻沒有消耗任何燃料，就奔著新家園去了。

試想，如果變軌時離一顆巨行星太近的話，這趟“觀光旅行”可就不怎么愉快了。

靠近木星時，

為什么行星發(fā)動機會大批熄火？

當?shù)厍蚩拷拘菚r，人類突然遭遇了巨大危機：數(shù)千臺行星發(fā)動機故障熄火了，全球開始發(fā)生大規(guī)模的地震、火山爆發(fā)，巖漿吞沒了地下城……

為什么幾千臺發(fā)動機會同時熄火呢？為什么地震、火山都趕在這個時候來湊熱鬧呢？這一切災難的根源是“洛希極限”，簡單說就是地球離木星太近了。

洛希極限是天文學中的一個特殊的距離。當兩個天體的距離少于洛希極限時，它們就傾向于被“潮汐力”撕碎。

計算表明，地球和木星的距離如果低于10.3萬千米，那么大氣就會在潮汐力的作用下脫離地球;如果距離低于7.44萬千米，那整個地球都會被撕碎。

潮汐力有多可怕，我們用茶杯和水來舉個例子：我們在杯壁頂部倒一滴水，讓它在重力作用下向著杯底滑落。我們會發(fā)現(xiàn)，越靠近杯底，水滴會被拉得越長，最后被拉扯到了撕裂的極限。這個極限就可以被認為是茶杯對水滴的“洛希極限”。

木星的引力場，實際上就是這樣一個“茶杯”。地球尺寸很大，當它靠近木星時，離木星較近一側受到的引力將比較遠一側大得多，因此會像水滴一樣被逐漸撕裂。影片中，地球已經(jīng)達到了地木“流體洛希極限”（地木距離約10.3萬千米）。在此處，液體和氣體不再能被地球引力束縛，傾向于逃逸，而巖石還能勉強憑借自身的硬度堅持一會兒。如果再靠近木星一點，地球將進入地木“剛體洛希極限”（地木距離約7.44萬千米）。在此處，即使堅硬的巖石也會被引力差撕碎，地球將徹底被解體。

可以想象影片中的人類面臨著怎樣的絕望：太靠近木星，會被潮汐力撕碎;遠離木星，便無法借助引力彈弓變軌……最后他們利用氫氣爆炸來修正引力彈弓軌道獲得了成功。

很少有一部影片中能涵蓋這樣豐富的科學知識。盡管《流浪地球》中仍有一些不足之處，很多細節(jié)還有待推敲，但是它卻燃起了我們對科幻的熱情，開啟了我們的想象力與求知欲，甚至讓更多的人愿意走近科學，愛上科學。

超鏈接

《流浪地球》上映后，引起了廣大網(wǎng)友的熱議。雖然他們的爭論不代表權威，不代表絕對準確，但是從中足以看出他們對科學的熱情。我們一起瞧瞧吧！

@比鄰星游客：太陽真的會爆炸嗎？

@我是科幻迷：所有的恒星都和人一樣會經(jīng)歷出生、成長、壯年、衰老和死亡的過程，太陽也不例外。太陽的壽命大概有100億年，現(xiàn)在已經(jīng)過去了46億年，大概50億年后太陽就會衰老和死亡。恒星衰老的時候，由于燃料不足，內(nèi)核收縮，內(nèi)核附近的氫開始發(fā)生聚變，而整個恒星就會膨脹，引發(fā)劇烈的核聚變，拋出大量的質量，最終成為宇宙中的塵埃，再重新聚合成新的恒星。

@木星大哥：地球停止自轉會有什么后果？

@未來科學家：地球停止自轉后最大的影響是地磁場的消失。科學家認為地磁場的產(chǎn)生是因為地球自轉時造成的電流形成的。宇宙的射線照射到地球時會因磁場發(fā)生偏轉，對地球上的生物形成保護。所以，如果地球停止自轉，磁場消失，宇宙射線直接照射到生物體上，會造成生物的滅絕。除此之外，還會造成海平面及地殼結構發(fā)生變化，可能會帶來全球性大地震。