《流浪地球》中的这些科学奥秘，可以这样讲给孩子听！
以下文章来源于科普中国 ，作者木辛君
今年的春节贺岁档，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》。这部由刘慈欣小说《流浪地球》改编的同名电影，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。太阳将要发生氦闪剧烈爆炸，人类在地球表面上装满发动机，推动这个星球去往比邻的星系。电影的故事，正是发生在这一段旅程中。叛逆少年离家出走，却最终在父辈的感召之下完成成长，几经曲折成为让地球从木星引力中挣脱出来的英雄。
您有带着孩子看这部电影吗？在看电影时，当孩子提出了自己的不解之处，该如何给孩子答复的呢？
其实，在这部电影中，涉及的科学知识非常多，设定详实，且高度融入了剧情。
电影讲述的故事中，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，让我们一起了解这些电影情节里的科学解读和科学背景，探寻这个电影故事中的科学奥秘！
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
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。
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”，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米做为燃料；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，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……
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……
尽管《流浪地球》中仍有一些不足之处，但它作为一部迎难而上的、在工业水平上实现大步飞跃的国产科幻片，还是相当不容易。
最近这两天，有各种各样不同的声音出现，有的人去赞扬它，有的人挑它逻辑上的错误。
但其实，做到这一点，《流浪地球》就已经赢了。
争论，说明在意，说明无法忽视；无言，才是彻底的灰心和放弃。
电影里的煽情虽有争议，但《流浪地球》的燃却是真的。
它时隔多年，重新唤起了我们对科幻的热情。
一部好的科幻电影，能开启孩子们的想象力与求知欲。
或许在未来，我们不仅能带着孩子在电影院看属于我们自己的、更出色的科幻电影。
还能有更多孩子，因为优秀的科幻影视作品，心中种下了科学的种子，爱上了科学的世界。
来源 | 科普中国（ID：Science_China）、中国教育报等
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
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