《流浪地球》别光看特效！这里的科学奥秘更厉害

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。

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来源：科普中国（ID：Science_China）

本期编辑：陈锐（福建江夏学院站）

责任编辑：薛昀、涂皓珉