科学视界 | 《流浪地球》背后隐藏的科学奥秘

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科学视界 | 《流浪地球》背后隐藏的科学奥秘
来源：中央纪委国家监委网站 发布时间：2019-02-10 22:00
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　　2019年2月5日《流浪地球》上映。这部由刘慈欣小说《流浪地球》改编的同名电影，5天累计票房达到了16亿元，成为名副其实的首部国产科幻大片。“流浪地球”真的可能发生吗？明知靠近木星有危险，为什么地球还要走这条路？带着种种疑问和思考，让我们一起走进《流浪地球》背后隐藏的科学奥秘。

　　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

　　地球是个庞然大物，半径6371公里，重达59万亿亿吨。但人类造出了同样庞大的行星发动机，足以在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）。



行星发动机示意图

　　但这个速度还远远不够。比邻星（半人马座三星）距离地球4.3光年，如果按照逃逸速度航行，需要7.7万年才能抵达，这实在是太漫长了！

　　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、提升速度，最后到达比邻星。

　　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”，内部就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，也必须烧掉7亿亿吨的石头，相当于把全球的地面挖掉40米作为燃料；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，那就需要借助精巧的轨道计算，利用天文尺度的力量——万有引力。于是人类将目光投向木星，这就是电影前半段上演的。

　　木星的引力弹弓是怎么回事？

　　航天中存在引力弹弓现象，利用它，可以令航天器零消耗改变方向、提升速度，送达目标轨道。



　　引力弹弓一般发生在一对重量相差悬殊的天体之间。这里我们用木星（红色球）和地球（蓝色球）举个例子，如图a和图b所示。

　　地球以速度V靠近木星，而木星在轨道上以速度U运行。



图 a 引力弹弓的示意图

　　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。





图 b 引力弹弓的示意图

　　感谢木星甘当人梯的奉献精神，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。

　　但如果变轨时离一颗巨行星太近的话，这趟“观光旅行”可就要不怎么愉快了。

　　靠近木星时，行星发动机大批熄火

　　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？为什么地震、火山都赶在这个时候来凑热闹？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。太近会发生什么呢？

　　超过洛希极限会发生什么呢？

　　洛希极限（Roche limit）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10.3万公里，那么大气就会在潮汐力的作用下脱离地球；如果距离低于7.44万公里，那整个地球都会被撕碎。

　　潮汐力有多可怕，我们拿一个茶壶和茶杯举例子：



图 c 用来演示潮汐力的茶杯

　　我们在杯壁顶部倒一些水，让它在重力作用下向着杯底滑落。越靠近杯底，水滴会越拉越长，最后被拉扯到了撕裂的极限。这个极限就可以被认为是这个茶杯对水滴的“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。

　　《流浪地球》电影中，地球已经到达了地木“流体洛希极限”（地木距离10.3万公里）。在此处，液体和气体不再能被地球引力束缚，而倾向于逃逸；而岩石还勉强能凭借自身的硬度坚持一会儿。





图 d 地木流体洛希极限模拟(二维简化模型)

　　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7.44万公里）。在此处，就连坚硬的岩石都会被引力差撕碎，地球将彻底解体。



图 e 地木刚体洛希极限模拟(二维简化模型)

　　可以想象《流浪地球》中，人类面临的是怎样的绝望了。太靠近木星不行，那样会被潮汐力撕碎；太远离木星也不行，那样无法借助引力弹弓变轨……（作者：木辛君 清华大学航天航空学院工程力学系在读博士，中国科幻银河奖/星云奖获奖作者；本文审核：刘慈欣 高级工程师，科幻作家，中国作协会员，小说《流浪地球》作者、电影监制；本专栏与“科学加”客户端合作建设 内容来源：“科普中国”微信公众号）

potter.leon

有中纪委中宣部的支持，流浪地球拍成这样也就不奇怪了。

ann@2209

说实话我看流浪地球最大的感受就是中国骨子里还是停留在旧社会，内心根本就没有对科技的崇尚，只不过被美国逼得被迫追逐科技，因为不搞科技就得被美国按住吃屎还得说香。但是美国电影，不管是好片烂片，他们对科技从骨子里的崇尚和迷恋藏都藏不住。中国心一枚，没有诋毁中国的意思。

流浪地球开始还算科技感强，但是也是美国大片的劣质模仿，然后演一演就HOLD不住了，中段我一度感觉狼牙山五壮士董存瑞人肉炸药包的感觉都要出来了。中国跟美国的差距不仅仅是科学技术的水准，更是迷恋科技的情怀。