探寻《流浪地球》中的科学奥秘

妙妙

2019年的春节贺岁档，出现了一匹黑马，就是被称为中国科幻电影新纪元的《流浪地球》。这部由刘慈欣同名小说改编的电影，历时4年与观众见面。为了打造这部科幻电影，剧组做了大量的功课。整部电影对太空、航天、机械等方面都有着丰富的表现。电影一开场，就开启了一个宏大的叙事：太阳将要發生氦闪剧烈爆炸，人类在地球表面装了上万台发动机，准备推动地球脱离银河系，去比邻的星系。于是地球开始了前途未知的流浪。被宏大的场面刺激眼球的同时，我们不禁也对影片里的科学知识产生了疑问。如：明知靠近木星有危险，为什么地球还要走这条路？为什么接近了木星，地球就会被“撕裂”？带着种种疑问和思考，让我们一起来了解影片里的科学解读和背景，探寻电影中的科学奥秘。

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）。

比邻星同太阳一样都是恒星，但质量只有太阳的八分之一。而地球是个庞然大物，地球赤道半径约6378千米，重达约59万亿亿吨。人类造出了同样庞大的行星发动机，计划在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）。但这个速度还远远不够，比邻星距离地球有4.3光年，如果按照逃逸速度航行，地球需要7.7万年才能抵达比邻星，这实在太漫长了！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并且提升速度，最后到达比邻星。

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”的内部都在进行着重元素聚变。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，必须烧掉7亿亿吨的石头，相当于把全球的地面挖去40米做燃料;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，那就只能借助于精巧的轨道计算，利用天文尺度的力量——万有引力了。于是人类将目光投向了木星。

木星的引力弹弓是怎么回事？

航天中存在引力弹弓现象，利用这种现象可以使航天器零消耗地改变方向、提升速度，送达目标轨道。

引力弹弓一般发生在一对重量悬殊的天体之间。我们可以看看下面的示意图。

如图A，地球以速度V靠近木星，而木星在轨道上以速度U运行。

如图B，当它们足够靠近后，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。

如图C，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。

试想，如果变轨时离一颗巨行星太近的话，这趟“观光旅行”可就不怎么愉快了。

靠近木星时，

为什么行星发动机会大批熄火？

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，全球开始发生大规模的地震、火山爆发，岩浆吞没了地下城……

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。

洛希极限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10.3万千米，那么大气就会在潮汐力的作用下脱离地球;如果距离低于7.44万千米，那整个地球都会被撕碎。

潮汐力有多可怕，我们用茶杯和水来举个例子：我们在杯壁顶部倒一滴水，让它在重力作用下向着杯底滑落。我们会发现，越靠近杯底，水滴会被拉得越长，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。影片中，地球已经达到了地木“流体洛希极限”（地木距离约10.3万千米）。在此处，液体和气体不再能被地球引力束缚，倾向于逃逸，而岩石还能勉强凭借自身的硬度坚持一会儿。如果再靠近木星一点，地球将进入地木“刚体洛希极限”（地木距离约7.44万千米）。在此处，即使坚硬的岩石也会被引力差撕碎，地球将彻底被解体。

可以想象影片中的人类面临着怎样的绝望：太靠近木星，会被潮汐力撕碎;远离木星，便无法借助引力弹弓变轨……最后他们利用氢气爆炸来修正引力弹弓轨道获得了成功。

很少有一部影片中能涵盖这样丰富的科学知识。尽管《流浪地球》中仍有一些不足之处，很多细节还有待推敲，但是它却燃起了我们对科幻的热情，开启了我们的想象力与求知欲，甚至让更多的人愿意走近科学，爱上科学。

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《流浪地球》上映后，引起了广大网友的热议。虽然他们的争论不代表权威，不代表绝对准确，但是从中足以看出他们对科学的热情。我们一起瞧瞧吧！

@比邻星游客：太阳真的会爆炸吗？

@我是科幻迷：所有的恒星都和人一样会经历出生、成长、壮年、衰老和死亡的过程，太阳也不例外。太阳的寿命大概有100亿年，现在已经过去了46亿年，大概50亿年后太阳就会衰老和死亡。恒星衰老的时候，由于燃料不足，内核收缩，内核附近的氢开始发生聚变，而整个恒星就会膨胀，引发剧烈的核聚变，抛出大量的质量，最终成为宇宙中的尘埃，再重新聚合成新的恒星。

@木星大哥：地球停止自转会有什么后果？

@未来科学家：地球停止自转后最大的影响是地磁场的消失。科学家认为地磁场的产生是因为地球自转时造成的电流形成的。宇宙的射线照射到地球时会因磁场发生偏转，对地球上的生物形成保护。所以，如果地球停止自转，磁场消失，宇宙射线直接照射到生物体上，会造成生物的灭绝。除此之外，还会造成海平面及地壳结构发生变化，可能会带来全球性大地震。