科幻電影中的相關物理知識探討

趙靜 張文娟 許利軍

【摘要】2019年春節(jié)檔，一部《流浪地球》橫空出世，收獲46.96億票房，賺下無數(shù)口碑，為我國科幻電影走向世界莫定了基礎，是我國科幻電影的里程碑。無論是歐洲出品，還是好萊塢巨制，只要是科幻電影必然包含著很多的科技知識，硬核科幻更不例外。文章以《流浪地球》為例，探討了電影中包含的一系列物理知識。

【關鍵詞】科幻電影; 《流浪地球》;物理知識

1、引言

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)已經(jīng)深入到各行各業(yè)。傳統(tǒng)的傳播媒體也已經(jīng)進行了視覺革命，從以前的黑白電視、藍屏手機，變成了現(xiàn)在的彩色數(shù)字化產(chǎn)品。隨著視覺時代的到來，科幻電影應運而生。科幻電影，顧名思義，即以科幻元素為內(nèi)容的類型片?？苹秒娪氨尘翱梢詾槿魏文甏?，任何時間，任何地點，看起來天馬行空但是卻邏輯嚴謹?，F(xiàn)在市面上存在的科幻電影可以分為兩個類型，硬科幻和軟科幻。硬科幻以自然科學為基礎，核心是尊重和推崇科學精神，兼具關注科技的發(fā)展對人類活動的影響。代表作品：《黑客帝國》、《銀翼殺手》、《攻殼機動隊》。軟科幻是以暢想的中可能的科技為背景，更傾向于關注入文、生活。而它反映的更多為哲學、社會學、心理學、政治學因素。代表作品：《人工智能》。一直以來，科幻電影以歐美電影居多，尤其好萊塢電影。提起科幻電影，人們?nèi)鐢?shù)家珍的基本都被好萊塢電影所壟斷。國內(nèi)之前也打著科幻電影的旗號上映了幾部影片，但不出意外全都撲街了。直到2019年春節(jié)檔電影《流浪地球》出現(xiàn)。

2、《流浪地球》物理知識探討

《流浪地球》改編自作家劉慈欣的同名小說，它橫空出世，最終以46.86億票房收官，被人們稱為中國科幻電影的里程碑。作為一部硬科幻作品，影片講述的是為了避免地球被太陽吞噬，人類帶著地球?qū)ふ倚录覉@的故事，這個“搬家”過程就是流浪地球。

下面我們從物理學的角度探討一下電影中的物理知識：

2.1 太陽的紅巨星眨介段

影片發(fā)生的背景是由于太陽進入紅巨星階段，以防地球被淹沒，人類開始帶著地球搬家。那么，紅巨星階段是哪個階段，有什么特征呢？眾所周知，太陽會由于核聚變而產(chǎn)生巨大的能量，所謂核聚變是指質(zhì)量較輕的原子核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核從而釋放能量的過程。經(jīng)科學測算，太陽的壽命約為100億年，現(xiàn)在處于46億年，相當于壯年期，而目前太陽所處的階段為氫核聚變?yōu)楹ず穗A段。此時太陽較穩(wěn)定，但是再過30到50億年，絕大部分的氫核已經(jīng)聚變?yōu)楹ず?，剩下的氫核聚變過程中產(chǎn)生的能量已經(jīng)不足以抵抗萬有引力，到時候太陽將向內(nèi)坍塌，導致壓力劇增，此時氦核進一步發(fā)生聚變，聚變過程非常迅速，在短時間內(nèi)將產(chǎn)生巨大能量，這個現(xiàn)象稱為氦閃，之后太陽將膨脹進入紅巨星寫）段，由于太陽的體積大幅增加，所以將會把水星、金星等星座包圍進去，而地球也將不能幸免于難。

2.2 地球能否人為停止自轉(zhuǎn)

地球自轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動能量為：2.57*10²⁹焦耳。1945年，美國投于日本長崎的“胖子”原子彈，能量約為20000噸TNT當量，也就是約為8*10¹⁰焦耳，可見能毀掉一個城市的原子彈能量在地球的自轉(zhuǎn)能量面前是微乎其微的。根據(jù)影片中行星發(fā)動機的推力，根據(jù)牛頓第二定律可以得到地球獲得的加速度約為2.5*10^-7m/s²，在赤道附近的轉(zhuǎn)動速度約為460m/s加果行星發(fā)動機能源源不斷地產(chǎn)生推力，經(jīng)計算，讓地球停止的時間約為60年。

2.3 地球停止自轉(zhuǎn)的后果

首先，人類生活的陸地之所以會存在，是因為由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用使得海洋向赤道附近聚集，而一旦地球停止轉(zhuǎn)動，離心力消失，海洋將向兩極流動，人類賴以生存的陸地將會被淹沒。

其次，由于地球自轉(zhuǎn)，我們每天有白天和黑夜。如果地球停止轉(zhuǎn)動，朝向太陽的一面永遠是白天，而背對太陽的一面永遠是黑夜，黑夜這一面由于長期得不到太陽光的照射，溫度持續(xù)降低，不適宜人類生存。

最后，地球自轉(zhuǎn)會產(chǎn)生磁場，磁場保護地球上的人類免受太陽風的沖擊，一旦地球停止轉(zhuǎn)動，磁場消失，太陽風沒有任何阻礙，人類將隨時隨地會受到太陽風的沖擊。

2.4 脫離木星引力方法的合理性

電影中為了使用木星對地球加速，聯(lián)合政府提出了引力彈弓效應。引力彈弓效應實際上廣泛應用于探測器飛行中，這種加速方式比較節(jié)省能源。它的原理是當行星吸引探測器或者其他天體時，由于其自身也在繞太陽轉(zhuǎn)動，當探測器或其他天體逃離時，相當于增加了一部分行星的轉(zhuǎn)動速度。地球由于受到木星的吸引，即將進入剛體洛希極限。這個極限指的是地球被木星的潮汐力撕碎的最小距離。只有大于這個距離地球才是安全的。影片中在地球即將進入木星的洛希極限之前，吳京所飾演的宇航員劉培強駕駛著空間站在粒子流中爆炸，爆炸所產(chǎn)生的巨大能量將木星的大紅斑點燃，從而產(chǎn)生巨大沖擊波將地球推走，避免了被撕碎的危險。那么木星大紅斑真的能被點燃嗎？產(chǎn)生的沖擊波真的能將地球推走嗎？

據(jù)科學觀測，木星是一顆密度低，體積大的大行星，自轉(zhuǎn)的速度為48280km/h，在木星的表面有一團深褐色的下沉氣流，稱為大紅斑。木星的氣流運動變化很大，大紅斑長度在20000-30000千米不等。而地球的平均直徑為12742km，還沒有大紅斑大。點燃大紅斑就是點燃大紅斑中的氫，若要將氫嫩燒，需要地球提供充分的氧氣混合。而空間站爆炸后產(chǎn)生的能量與大紅斑接觸時間很短，氧氣和氫氣達不到均勻混合，產(chǎn)生不了大規(guī)模的燃燒。沒有大規(guī)模的燃燒，產(chǎn)生出的沖擊波對地球本身也產(chǎn)生不了特別大的影響。

3、結(jié)論

電影是一門藝術(shù)，存在許多大膽且富有想象力的內(nèi)容，盡管從物理學的角度來看，有一些內(nèi)容可能脫離實際，但是，我們不能以真實的物理知識去挑毛病，要不然任何科幻電影包括美國大片都站不住腳。觀眾不僅可以通過欣賞電影激發(fā)想象力，從而推動科技發(fā)展，而且能夠培養(yǎng)正確的宇宙觀。許多優(yōu)秀的科幻電影能夠引導科學家的思路，將想象變?yōu)楝F(xiàn)實。比如19刀年的《星球大戰(zhàn)》中的3D全息投影，現(xiàn)在已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實，《A.I》中提及的人工智能，現(xiàn)在已經(jīng)被人們熟知，過不了多久，也許就會走進千家萬戶。因此，科幻電影不僅能夠豐富我們的知識，還能讓我們的生活更加美好。

參考文獻：

[1]李輝.《影視資源在高中物理教學中的應用》[D].華中師范大學碩士學位論文.2016.05.

[2]于永健、侯新杰.《電影流浪地球相關原始物理問題探討》[J].物理教學.2019.11.