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《流浪地球》别光看特效!这里的科学奥秘更厉害

央视新闻客户端 央视新闻客户端 2019年02月08日 13:26 A-A+ 二维码
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春节期间,由刘慈欣小说《流浪地球》改编的同名电影《流浪地球》好评如潮。为了打造中国第一部真正的硬科幻电影,剧组做了大量功课,整部电影对太空、航天、机械等有着丰富的表现。

硬科幻的魅力是什么?大概就是能跳出故事本身,让我们对生活产生不一样的思考。现实中,“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?一起走进科学的奥秘。

为什么要去木星?

影片的故事背景是这样的: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,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,这实在太漫长。

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,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?

重元素聚变并不稀奇,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7亿亿吨石头,这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。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低改变方向、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。

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

地球获得木星的轨道速度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

影片中,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……

△图中红线部分为长城

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。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……

好的科幻对科学有指向意义

限于时间和篇幅,在此只能对《流浪地球》中两个关键情节的科学背景进行讨论。实际上电影中涉及的科学知识非常多,设定详实,且高度融入剧情。

最重要的是,它们引出了很多值得思考的问题。从这个角度看,一部好的科幻电影真的能开启观众、尤其是孩子们的想象力与求知欲。好的科幻作品,尤其是硬科幻,对于科学是有比较强烈的指向意义。

本文专家: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

本文来源:科普中国


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