地球是否真的能流浪呢？带你一探流浪地球中的物理学

Original 学生传媒中心湖工大学声 2020-09-01

今年的科幻电影中出现了一匹黑马《流浪地球》，相信大家肯定在寒假里看了，电影的场景确实震撼人心，无论是各国人民团结一致还是中国宇航员的奉献精神都让人回味，其中蕴藏的物理原理大家都是不是知道呢？

1.木星

了解木星

木星是一颗气态巨行星，是不以岩石或其他固体为主要成分构成的大行星。它的密度低，体积庞大，自转线速度为48280km/h，这个速度是什么概念呢？要知道地球自转速度是466m/小时，换算一下大概就是人类坐轮椅和开玛莎拉蒂的区别吧。木星表面有一块看起来像梵高不知名作品的东西，是一团激烈的沿逆时针方向运动的下沉气流，因为气流物质中含有大量的红磷化物，所以呈深褐色。由于木星气流运动变化较大，因此大红斑长度在20000-30000千米不等。把地球扔在木星上的话，我们连人家的一个坑都填不满。

洛希极限

电影里这个名词出现了好几次，而且都是被大家一脸惊恐喊出来的，实际上，这真的比女朋友生气还吓人。当地球距离木星过近的时候，木星自转牵引力与惯性离心力会对地球产生剧烈的潮汐作用，从而使天体破碎后组成木星的原行星盘。这个天体解散的极限值就叫做洛希极限。而木星周围的卫星之所以不会受到洛希极限影响，是因为木卫星并不是完全流体状态且距离较远，它们受到外力，宇宙场，恒星坍缩或多种力的影响，在木星附近达到平衡值。

地球

重聚变发动机

电影中最惹人注目的，就是这些重聚变发动机，高度达11公里，比珠峰朗玛峰还高2.2公里。每台发动机能提供150亿吨的推力，而这样的发动机在欧亚大陆和美洲大陆总共有一万两千台，总共能提供150万亿吨的推力。重聚变，顾名思义，就是由重原子进行的核聚变。目前人类能做到的，还只是利用氢原子进行的不可控核聚变（氢弹）。而小说和电影中利岩石为主要燃料进行核聚变，则需要更大的温度的压强才能实现。我们地球上岩石的主要成分是“硅”。根据天文学的研究，大质量恒星后期的聚变反应就是“重聚变”。从“硅”开始大质量恒星“重聚变”过程是：硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 → 镍–56。在这个聚变过程中，释放出大量的能量，比氢弹爆炸释放的能量多太多了。核聚变走到铁这一步，就不再释放能量，而是吸收能量。所以重聚变最后产生的废渣就是铁。正是有了重聚变发动机，才能让“流浪地球”计划成功，因为岩石在地球上到处都是，提供了无穷无尽的燃料。

无工质推进

我们从高中物理学中学到：m1v1=m2v2

通俗的讲，就是火箭喷出物质速度越快，火箭获得的推力就越大，同时消耗的燃料就越少。那么无工质发动机喷出的是什么呢？是电磁场加速后的等离子体，这种物质的喷射速度最高能达到500公里每秒，在未来甚至更高，最高上限是30万公里每秒。目前液体火箭喷射燃料的速度也不过4.5公里每秒。也就是说，同等条件下，无工质推进是目前火箭发动机的100倍效率。

因此在无工质推进的高效率之下，才能让地球节省了这些岩石燃料。否则，按照常规推进模式，把半个地球当燃料烧了，也不够这一万两千台发动机把地球推动逃离太阳系。

霍曼转移轨道

地球逃出太阳系，并不是跟扔标枪一样一下子飞出去，而是采取了转圈扔铁饼的方式。先把地球绕太阳的公转的轨道由圆形改为椭圆形，这里就牵扯到了霍曼转移轨道的概念。霍曼转移轨道（Hohmann transfer orbit）是一种变换太空船轨道的方法，途中只需两次引擎推进，相对地节省燃料。此种轨道操纵名称来自德国物理学家瓦尔特·霍曼。霍曼转移轨道不是最省时间的方法，但却是最省燃料的方法。而把地球轨道从圆形变成椭圆形，目的是为了获得一个冲向木星的路径和速度，以便利用木星的引力加速，最终逃出太阳系。当然，像地球这么大的星体，仅进行一次椭圆轨道绕日是远远不够的，在原著中，地球总共进行了15次椭圆形公转，每次的椭圆形都比以前更扁一些，其目的还是为了节省燃料。

氦闪

最最关键的知识点来了，氦闪。这种现象发生在0.8个到2.25个太阳质量的恒星身上。当恒星内部氢元素燃烧殆尽，导致氦元素在恒星的核心大量积累，密度增加。在外部压力的作用下，氦元素以简并态的方式存在着。当核心内部温度达到一亿K到两亿K时，氦聚变开始了，由于简并态传导的速度很快，几秒钟之内核聚变就在整个氦核心中发生，并使恒星产生千亿倍于正常恒星的能量。然后恒星核心里的氦绝大部分在这几秒内聚变为碳元素。氦闪结束后，恒星内部引力收缩和核聚变压力重新得到了平衡，内核收缩，外壳膨胀，恒星膨胀为红巨星，变的更大。如果按目前太阳的体积和质量，红巨星阶段的太阳，体积会包住地球，边界到达火星附近。不过诸位请放心，太阳立即变为红巨星，只是《流浪地球》中一个假设。现实中的太阳按照恒星正常的寿命，50亿年之后才会变为红巨星。那时候人类大概已经移民到其他恒星系星球

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