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《流浪地球》別光看特效!這裡的科學奧秘更厲害

春節期間,由劉慈欣小說《流浪地球》改編的同名電影《流浪地球》好評如潮。為了打造中國第一部真正的硬科幻電影,劇組做了大量功課,整部電影對太空、航天、機械等有著豐富的表現。

硬科幻的魅力是什麽?大概就是能跳出故事本身,讓我們對生活產生不一樣的思考。現實中,“流浪地球”真的可能發生嗎?明知靠近木星有危險,為什麽地球還要走這條路?一起走進科學的奧秘。

為什麽要去木星?

影片的故事背景是這樣的:太陽急速老化,不斷膨脹,太陽系已經不適合人類生存,於是人類為自己選了一個新的家園——比鄰星(半人馬座三星)。

比鄰星同太陽一樣,都是恆星,但品質只有太陽的八分之一。

地球是個龐然大物,但人類造出了同樣龐大的行星發動機,足以在5年左右將地球推進到逃逸速度(脫離太陽引力的最低速度)。

行星發動機示意圖

但這個速度還遠遠不夠。比鄰星(半人馬座三星)距離地球4.3光年。如果按照逃逸速度航行,需要7.7萬年才能抵達,這實在太漫長。

即使行星發動機繼續加速,達到光速的百分之一仍然不可行,這是因為行星發動機的能量來自重元素聚變

重元素聚變有什麽限制?

重元素聚變並不稀奇,在宇宙深處有不少恆星“巨無霸”,內部就在進行著重元素聚變。

重元素聚變的質能轉換效率是相當低的。最樂觀估計,地球要達到逃逸速度,也必須燒掉7億億噸石頭,這相當於把全球的地面挖掉40米作為燃料要達到光速的百分之一,則必須削去地殼的一半

如果無法靠自己的力量推動地球,那就借助精巧的軌道計算,利用天文尺度的力量——萬有引力。於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、提升速度,最後到達比鄰星。這就是電影前半段上演的。

木星的“引力彈弓”是怎麽回事?

航天中存在“引力彈弓”現象,利用它,可以令航天器零消耗地改變方向、提升速度,送達目標軌道。

“引力彈弓”一般發生在一對重量相差懸殊的天體之間。這裡我們用木星(紅色球)和地球(藍色球)舉個例子。

地球以速度V靠近木星,而木星在軌道上以速度U運行

圖a 引力彈弓的示意圖

足夠靠近後,地球被木星引力抓住,牽引,優雅地轉體半周,然後像擲鐵餅那樣甩出去

圖b 引力彈弓的示意圖

地球獲得木星的軌道速度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。

但如果變軌時離一顆巨行星太近的話,這趟“觀光旅行”可就要不怎麽愉快了。

靠近木星時,行星發動機大批熄火

影片中,當地球靠近木星時,人類突然遭遇了巨大危機:數千台行星發動機故障熄火了,全球地震,火山爆發,岩漿吞沒了地下城……

為什麽幾千台發動機會同時熄火呢?為什麽地震、火山都趕在這個時候來湊熱鬧呢?這一切災難的根源是“洛希極限”簡單說就是地球離木星太近了。太近會發生什麽呢?

超過“洛希極限”會發生什麽呢?

“洛希極限”(Roche limit)是天文學中的一個特殊的距離當兩個天體的距離少於洛希極限時,它們就傾向於被“潮汐力”撕碎

計算表明,地球和木星的距離如果低於10.3萬公里,那麽大氣就會在潮汐力的作用下脫離地球;如果距離低於7.44萬公里,那整個地球都會被撕碎。

潮汐力有多可怕,我們拿一個茶壺和茶杯舉例子

圖c 用來演示潮汐力的茶杯

我們在杯壁頂部倒一些水,讓它在重力作用下向著杯底滑落。越靠近杯底,水滴會越拉越長,最後被拉扯到了撕裂的極限。這個極限就可以被認為是這個茶杯對水滴的“洛希極限”。

木星的引力場,實際上就是這樣一個“茶杯”。地球尺寸很大,當它靠近木星時,離木星較近一側受到的引力,將比較遠一側大得多,因此會像水滴一樣被逐漸撕裂。

《流浪地球》電影中,地球已經到達了地木“流體洛希極限”(地木距離10.3萬公里)。在此處,液體和氣體不再能被地球引力束縛,而傾向於逃逸;而岩石還勉強能憑借自身的硬度堅持一會兒

圖d 地木流體洛希極限模擬(二維簡化模型)

再靠近木星一點,地球將進入地木“剛體洛希極限”(地木距離約7.44萬公里)。在此處,就連堅硬的岩石都會被引力差撕碎,地球將徹底解體

圖e 地木剛體洛希極限模擬(二維簡化模型)

可以想象《流浪地球》中,人類面臨的是怎樣的絕望了。太靠近木星不行,那樣會被潮汐力撕碎;太遠離木星也不行,那樣無法借助引力彈弓變軌……

好的科幻對科學有指向意義

限於時間和篇幅,在此只能對《流浪地球》中兩個關鍵情節的科學背景進行討論。實際上電影中涉及的科學知識非常多,設定詳實,且高度融入劇情。

最重要的是,它們引出了很多值得思考的問題。從這個角度看,一部好的科幻電影真的能開啟觀眾、尤其是孩子們的想象力與求知欲。好的科幻作品,尤其是硬科幻,對於科學是有比較強烈的指向意義。

本文專家:木辛君,清華大學航天航空學院工程力學系在讀博士,中國科幻銀河獎/星雲獎獲獎作者

本文審核:劉慈欣,高級工程師,科幻作家,中國作協會員,小說《流浪地球》作者、電影監製

來源:科普中國(ID:Science_China)已獲授權

編輯:廣州日報全媒體

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