物理：在太空也要保持安全距離

Aki

電影《流浪地球》里，太陽(yáng)即將毀滅，人類帶著地球在太空中流浪，尋找新的家園?？墒牵瑔慰啃行前l(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)過(guò)程艱難而緩慢。人類決定冒險(xiǎn)借用“引力彈弓”效應(yīng)，從木星那里偷點(diǎn)速度，把地球“甩”出太陽(yáng)系。誰(shuí)知木星引力突然增大，將地球拽離既定軌道，地球和木星之間的距離小于“洛希極限”，地球?qū)⒚媾R解體......

等等，“洛希極限”是什么？差點(diǎn)撕碎地球的神秘力量又到底來(lái)自哪里？

解體危機(jī)的幕后黑手

要想理解洛希極限，先得從慣性力說(shuō)起。乘車時(shí)，我們常?？梢愿惺艿綉T性力的存在，其實(shí)是因?yàn)檐囃蝗患铀伲a(chǎn)生了向前的加速度，車?yán)锏娜诉€保持著原來(lái)的前進(jìn)速度，如果以車廂為參照物，看起來(lái)好像有一股力量把人向后拉，這股力量就被稱為慣性力。

當(dāng)?shù)厍蚩拷拘菚r(shí)，受到了來(lái)自木星的引力，地球會(huì)在這股力的作用下朝著木星加速運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于一輛正在加速的汽車，而地球上的物體就像汽車上的乘客，既受到木星的引力，又受到和木星引力方向相反的慣性力。由于慣性力大小和距離無(wú)關(guān)，而引力近大遠(yuǎn)小，因此地球上接近木星的一端所受引力更大，兩股力的合力指向木星，而地球上遠(yuǎn)離木星的一端所受引力小，兩股力的合力背離木星。

這里提到的合力有它自己的名字——引潮力，又稱潮汐力，它的大小就等于木星引力和慣性力之間的差值。

潮汐力對(duì)我們來(lái)說(shuō)并不陌生。如果你曾經(jīng)去過(guò)海邊，就應(yīng)該見(jiàn)過(guò)海水漲潮和退潮的景象。語(yǔ)文課本里出現(xiàn)的錢塘江大潮，就是潮汐力的杰作。

地球受到的潮汐力主要來(lái)自太陽(yáng)和月球，因?yàn)樵虑蚓嚯x地球更近，占據(jù)日月總潮汐力的三分之二。月球產(chǎn)生的潮汐力拉扯著地球，海水不斷重新分布，于是每天會(huì)出現(xiàn)兩次漲潮、退潮。除了最常見(jiàn)的海水潮汐，巖石圈每天也會(huì)起伏7～15厘米，叫作“固體潮”。

當(dāng)一個(gè)天體接近另一個(gè)天體時(shí)，近端和遠(yuǎn)端受到的引力大小不同，這種巨大的引力差形成了潮汐力。如果地球自身的引力足以抵抗這股潮汐力，地球就不會(huì)發(fā)生太劇烈的形變，地表的物體也依然可以停留在地面上。然而遇上木星這種質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地球的“重量級(jí)選手”，引力差距太懸殊，地球就難以保持自身的結(jié)構(gòu)，從而面臨解體的危機(jī)。

嚴(yán)禁跨越的“三八線”

正面剛不過(guò)，我躲遠(yuǎn)點(diǎn)還不行嗎。要想不被潮汐力撕碎，質(zhì)量小的天體（地球）就得和質(zhì)量大的天體（木星）保持一個(gè)安全距離。劃分這個(gè)安全距離的“三八線”，就是“洛希極限”。

洛希極限是由法國(guó)科學(xué)家愛(ài)德華·洛希提出的，指的是小質(zhì)量天體接近大質(zhì)量天體時(shí)，能夠維持自身結(jié)構(gòu)不會(huì)解體的最小距離。一旦兩者距離小于洛希極限，較小的天體就可能被撕碎。這些碎片一般有兩種下場(chǎng)、一種是像土星環(huán)一樣，形成圍繞著大天體的一個(gè)環(huán);另一種就比較慘烈了，可能會(huì)和大天體發(fā)生猛烈的撞擊。

最著名的就是1994年那場(chǎng)驚心動(dòng)魄的“慧木相撞”?？蓱z的“蘇梅克-列維9號(hào)”彗星突破洛希極限，被木星的潮汐力撕裂成20多塊，最終撞擊在木星上，相當(dāng)于在木星上投放了20億顆原子彈，撞擊產(chǎn)生的疤痕能裝下好幾個(gè)地球。

只要保持安全距離，小天體被撕碎的危機(jī)也就宣告解除，不過(guò)，在潮汐力的反復(fù)拉扯下，小天體也很容易被大天體“鎖定”。就像是被大天體抓住肩膀，無(wú)法隨意向后轉(zhuǎn)動(dòng)，久而久之，小天體自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的周期趨于一致，從而成了大天體的衛(wèi)星，最典型的例子就是月球和地球。如果兩個(gè)天體質(zhì)量差不多，也有可能相互鎖定，譬如冥王星和它曾經(jīng)的衛(wèi)星卡戎。

在希臘神話中，卡戎是冥王哈迪斯的船夫，負(fù)責(zé)擺渡死者的亡魂，兩人是合作緊密的神祇。而冥王星和卡戎也始終保持同一個(gè)方向遙望著對(duì)方，如同一對(duì)老友，在無(wú)垠的太空安靜相伴。

《流浪地球》力學(xué)分析

當(dāng)?shù)厍蛟谛行前l(fā)動(dòng)機(jī)的推力下，朝著一個(gè)方向運(yùn)行，而木星的引力把地球拉向木星，地球承受的慣性力背離木星，加上地球自身還有引力，所有這些力的合力如果仍然朝向木星，地球就將面臨解體。如果它們之間的合力在木星大氣之外，地球?qū)⒋钶d這股力量的順風(fēng)車，以更高的速度向前運(yùn)行。

月球與地球的互相吸引

地球和月亮之間的互相吸引，影響最大的就是地球上的海水。水的流動(dòng)性很強(qiáng)，在月球和地球的互相拉扯下，海水會(huì)向月球的方向隆起。其實(shí)不僅是海水，地球上的大氣和地殼都會(huì)受影響而產(chǎn)生變化，這種影響叫“大氣潮”和“固體潮”。同時(shí)地球也在對(duì)月球產(chǎn)生強(qiáng)大的拉力，月球會(huì)產(chǎn)生變形。因?yàn)榛ハ嘁Φ暮狭Τ虻厍?，地球?huì)讓月球朝向地球的一面隆起。月亮自轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)讓月球被拉扯變形的隆起背離地球而去。它自傳一圈會(huì)被地球拉扯一次，最終導(dǎo)致月亮自傳速度降到最低值，月亮被地球鎖死。

冥王星與卡戎的互相鎖定

和地月關(guān)系不同的是，冥王星和它的衛(wèi)星卡戎質(zhì)量相差不那么懸殊，距離也比較近，他們互相拉扯的時(shí)候，出現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象：他們彼此被對(duì)方的拉力牽扯，互相環(huán)繞，互相鎖死，同步運(yùn)動(dòng)。在冥王星上看卡戎，只能看到卡戎的固定面，而在卡戎上看冥王星，看到冥王星的面也是固定的。它們好像固定在一根竹竿兩端一起轉(zhuǎn)動(dòng)的小球。它們之間只有19570公里，比地球和同步衛(wèi)星的距離35786公里小得多。如果地月之間的距離和關(guān)系如此，大概人類早就想在地球和月亮之間搭一座橋了。