探尋《流浪地球》中的科學(xué)奧秘

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(jì)元的《流浪地球》。這部由劉慈欣同名小說改編的電影，歷時(shí)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(jī)械等方面都有著豐富的表現(xiàn)。電影一開場，就開啟了一個(gè)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(jī)，準(zhǔn)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(shí)， 我們不禁也對影片里的科學(xué)知識產(chǎn)生了疑問。如：明知靠近木星有危險(xiǎn)，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(xué)解讀和背景，探尋電影中的科學(xué)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(gè)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(zhì)量只有太陽的八分之一。而地球是個(gè)龐然大物，地球赤道半徑約6378 千米，重達(dá)約59 萬億億噸。 人類造出了同樣龐大的行星發(fā)動機(jī)，計(jì)劃在5年左右將地球推進(jìn)到逃逸速度（脫離太陽引力的最低速度）。但這個(gè)速度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)比鄰星，這實(shí)在太漫長了！即使行星發(fā)動機(jī)繼續(xù)加速， 達(dá)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(dá)比鄰星。

那為什么行星發(fā)動機(jī)不能加速到百分之一光速呢？這是因?yàn)樾行前l(fā)動機(jī)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(jìn)行著重元素聚變。重元素聚變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換效率是相當(dāng)?shù)偷摹?/p>

最樂觀估計(jì)，地球要達(dá)到逃逸速度， 必須燒掉7 億億噸的石頭，相當(dāng)于把全球的地面挖去40 米做燃料； 要達(dá)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(jì)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(dá)目標(biāo)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(yùn)行。

如圖B，當(dāng)它們足夠靠近后，地球被木星引力抓住，牽引， 優(yōu)雅地轉(zhuǎn)體半周，然后像擲鐵餅?zāi)菢铀Τ鋈ァ?/p>

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(shí)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(shí)，為什么行星發(fā)動機(jī)會大批熄火？

當(dāng)?shù)厍蚩拷拘菚r(shí)， 人類突然遭遇了巨大危機(jī)： 數(shù)千臺行星發(fā)動機(jī)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(jī)會同時(shí)熄火呢？為什么地震、火山都趕在這個(gè)時(shí)候來湊熱鬧呢？ 這一切災(zāi)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(xué)中的一個(gè)特殊的距離。 當(dāng)兩個(gè)天體的距離少于洛希極限時(shí)， 它們就傾向于被“潮汐力”撕碎。

計(jì)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(gè)地球都會被撕碎。

潮汐力有多可怕， 我們用茶杯和水來舉個(gè)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(gè)極限就可以被認(rèn)為是茶杯對水滴的“洛希極限”。

木星的引力場， 實(shí)際上就是這樣一個(gè)“茶杯”。地球尺寸很大，當(dāng)它靠近木星時(shí)，離木星較近一側(cè)受到的引力將比較遠(yuǎn)一側(cè)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(dá)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(qiáng)憑借自身的硬度堅(jiān)持一會兒。如果再靠近木星一點(diǎn)，地球?qū)⑦M(jìn)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(jiān)硬的巖石也會被引力差撕碎， 地球?qū)氐妆唤怏w。

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(yuǎn)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(xué)知識。盡管《流浪地球》中仍有一些不足之處， 很多細(xì)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(xué)，愛上科學(xué)。

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(quán)威，不代表絕對準(zhǔn)確， 但是從中足以看出他們對科學(xué)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(shí)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(gè)恒星就會膨脹， 引發(fā)劇烈的核聚變， 拋出大量的質(zhì)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(zhuǎn)會有什么后果？

@ 未來科學(xué)家：地球停止自轉(zhuǎn)后最大的影響是地磁場的消失。 科學(xué)家認(rèn)為地磁場的產(chǎn)生是因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)時(shí)造成的電流形成的。宇宙的射線照射到地球時(shí)會因磁場發(fā)生偏轉(zhuǎn)，對地球上的生物形成保護(hù)。所以，如果地球停止自轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)發(fā)生變化， 可能會帶來全球性大地震。