终于轮到理科生哭了！《流浪地球》竟隐藏了这么多高考考点

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来源：整理自高考直通车，综合自中国科普博览（ID：kepubolan）、豆瓣、韬声（ID：phyandlife）等

原著科普背景

了解刘慈欣的原著背景是看懂流浪地球的第一步，原著中这样写：

太阳老化，科学家通过各种数据得出太阳短时间内会产生巨变，形成骇闪，地球会毁灭。面对这种情况，为了应对危机，人类内部产生两种不同意见，地球逃生派和飞船逃生派。

地球派主张以整个地球为载体，在世界各地建造核聚变大功率发动机；飞船派主张建造城市那么大的宇宙飞船进行跑路。最终因为生态系统循环稳定性等原因（一个飞船的生态系统不足以维持数十代人的生存与延续），地球派得到大部分人的支持，全球开始建造地球发动机。

先利用赤道发动机反向喷射停止地球自转，再开动全部发动机让地球加速至逃逸速度脱离太阳系，开始流浪。流浪的最终目标是离太阳系最近的比邻星系的合适轨道，这个流浪过程要经历几十代人。

地球刹车停转时，地球日落了三天三夜，主角降生，在十多年后，地球开始加速围绕着太阳绕圈，期间主角经历了地球在近日点的全球恐慌、经历了火山爆发导致地下城被岩浆侵蚀（母亲死亡）、经历了地球穿越小行星带时地球舰队用反物质炸弹轰击小行星的场面（父亲死亡）。最终地球绕日轨道进行运行至木星附近时，在木星强大的引力下的反作用，最终脱离太阳引力，地球全面加速。

多年后，地球已经逃出太阳系，然而太阳还是没有什么异常变化。这时候很多人开始怀疑太阳骇闪毁灭地球的说法，认为这是联合政府搞独裁，以一个骗局来统治幸存的人类。这种说法得到越来越多的人相信与支持，人类开始暴乱推翻联合政府。（主角妻子死亡）反政府组织最终推翻了联合政府，把联合政府的高层全部处决在遥远的太阳余晖下。

就在此时，太阳骇闪爆发了，吞没了整个太阳系的空间……结尾处，幸存的地球人类继续操控着地球在宇宙中飘荡，主角已经做了爷爷，他的后代，以及后代的后代，接下来数十代人都要继续保持这样的生活，直到比邻星的光辉重新照耀地球。

相关知识背景

氦闪太阳

太阳是以内部氢核聚变方式向外发光发热的，当内部的氢元素消耗得差不多的时候，内部的高温高压会激发氦元素的聚变，这个时候的太阳就会发生氦闪，说白了就是太阳老了，自爆了。

原著：“太阳内部氢转化为氦的速度突然加快，太阳的演化已向主星序外偏移，氦元素的聚变将在很短的时间内传遍整个太阳内部，由此产生一次叫氦闪的剧烈爆炸”。

意思就是太阳加速衰老，氦闪之后，太阳将变为一颗巨大但暗淡的红巨星，结果爆炸之后还膨胀了，到时候体积庞大到能把地球都吞了。

事实上用不着太阳吞地球，氦闪之时地球已被汽化了。这就是《流浪地球》中给地球装发动机的原因。

地球如何逃离太阳的毁灭

这是电影对原著设定最大的“省略”之处。

你以为装上发动机就可以让地球直线逃离吗？并不是，行星这样的“越轨”，也要符合轨道动力学，太阳也是有引力的，所以会用到变轨加速。

因为地球发动机没那么大劲儿，它只能给地球很小的加速度，不能把地球一下子推出太阳轨道，在地球离开太阳前，还要绕着它转15个圈！在这15个圈中地球慢慢加速。而且速度越快，这圈就越扁，所以地球有时离太阳会很远，有时候会很近。

原著中当地球运行到近日点的时候，就会有地球要被太阳吞并的阴谋论，导致全球人心惶惶，东半球大陆上草木生烟。电影开场一家人在海边的场景，电影世界观中是地球启航之前的故事，而在原著中来源于地球运行到远日点顶端那一天，地球人如同过年一样，因为这时地球距太阳最远，人们都有一种虚幻的安全感。

原著中塑造了一个对太阳感动恐惧的氛围，开始发生的时间，主角出生在地球刚刚停止转动之际。书中表示，地球光是“自转刹车”就用了42年，然后围着太阳绕圈加速。地球刹车之后，围绕太阳的转圈，到第15个公转轨道时，最后一次通过近日点时候，主角已经结婚了，东半球将迎来两千五百年的黑夜，然后在远日点才到达了木星轨道。

引力弹弓

电影中最让人难懂的之处，地球为什么会被木星引力捕捉，这里就是引力弹弓效应。

引力弹弓（又名引领助推）就是利用行星的重力场来给太空探测船加速，将它甩向下一个目标，也就是把行星当作“引力助推器”。

这有点类似离心力，以飞行器为例，飞往内行星，朝向太阳就可以获得加速度；而飞往外行星的飞行器，就算有着火箭助推器，由于是背向太阳飞行的，要抵抗太阳引力，故其速度会逐渐降低。

（这也是原著中为什么地球要绕太阳15个圈，而且“圈”越来越扁的原因，否则速度不够，根本到达了不了木星轨道）

所以在飞行器朝着内行星飞时（如金星，水星不行，因为这行星没有大气层），是要利用该原理减速。

而朝着外行星飞时，是要加速。飞行器第一次从远距离接近行星时，在轨道速度之下，利用火箭助推器，最终产生超越轨道速度的动能，产生的运动效果就像该飞行器被行星反弹开了。

这一连串动作，叫做行星引力辅助变轨。通俗的来说，假如轨道行星是一个黑帮老大，跟上我的速度才能入伙，来了之后就老老实实当我的小弟（卫星），一旦你速度太快超了我，就赶紧滚，有多远滚多远。。。

人类历史上很多飞行器都是这样完成的，比如水手10号，它于1974年2月5日经过金星，经过引力助推减速之后到达水星，否则因为太阳引力，速度太快就直接“跑过了”。还有卡西尼号探测器，两次飞掠过金星，之后又途经地球、木星，最终才到达了土星。

《流浪地球》把飞行器换成了地球，原理不变，只是要想让地球发动机助推器产生的动能完全超越太阳引力，就必须借用木星这个大块头，把地球反弹出去。

引力弹弓就是利用行星的重力场来给太空探测船加速，将它甩向下一个目标，也就是把行星当作“引力助推器”。
利用引力弹弓使我们能探测冥王星以内的所有行星。在航天动力学和宇宙空间动力学中，所谓的引力助推（也被称为引力弹弓效应或绕行星变轨）是利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度，以此来节省燃料、时间和计划成本。
引力助推既可用于加速飞行器，也能用于降低飞行器速度。

影片中，地球为了逃离太阳系，设定了一个飞往木星的冒险轨道，差点毁掉地球。这种冒险的原因是为了利用木星给地球加速。这种加速的方式俗称引力弹弓（gravitational slingshot）或者叫引力助推（gravity assist）。这样地球就获得了木星的轨道速度，再加上原有的速度，速度增加到了二者之和，地球的速度和能量都增加了，却没有消耗任何燃料。

其实不仅在“流浪地球”计划中使用这个原理使得地球加速，在2007年7月6日，旅行者1号距离太阳154.4亿公里（103.2天文单位），它在经过木星和土星时通过引力助推获得了足以完全摆脱太阳引力的动能。目前是距离地球最远的人造物体，位于太阳系和星际空间之间的边缘带。

例题：

木星引力

木星的引力比地球强2.5倍，因为体积太大，能够牵引太阳系包括地球在内的其它行星，这意味着木星将与地球和地球轨道发生交互作用，比如地球四季就是因为木星引力的作用。感谢木星巨大的引力，使得很多小行星和彗星的轨道在木星引力的作用下发生偏转，保护地球免受撞击。

电影中的原理，就是要利用木星的引力把地球吸过去，只要飞得足够快，并且算好角度，就会得到巨大的加速力：“我们的星球也在木星表面拉起了如山的液氢和液氦的巨浪。这时，木星巨大的引力正在把地球加速甩向外太空。”

可惜问题就出在了“没有算好”，原因还在于速度不够，没跑成功。就像月球一样，人家原本没打算成为地球的卫星，就因为被地球引力“捕捉”到了，才成为地球的卫星。但电影中的问题比较严重，因为木星引力太大，地球距离木星太近，差点超越洛希极限。

洛希极限

电影中没有解释这个名词，实则不应该，但这个词听上去很高深莫测，但其实很简单的。洛希极限是指当行星与卫星距离近到一定程度时，潮汐作用就会使天体本身解体分散。

举个例子，地球和木星的距离为洛希极限时，地球自身的重力和木星造成的潮汐力相等。如果它们的距离少于洛希极限，地球就会倾向碎散，继而成为木星的环，没错，土星的环就是这样来的。

它以首个计算这个极限的人爱德华·洛希的名字命名。

所以，地球飞过木星的时候，不能靠的太近，太近了超过洛希极限，地球就会崩了。但是离太远的话，引力又不太够，会达不到冲出太阳系的第三宇宙速度。只能拐回来继续绕太阳，所以冒险接近木星，是地球杀出太阳系的唯一一条路。（只要我跑的够快，木星能帮我让太阳抓不到我）

原著中，离开木星时，地球已达到了逃逸速度，它不再需要返回潜藏着死亡的太阳。

可见，洛希极限就是末日的临界点，在电影中充当了电影中常见的“倒计时爆炸”功能，知道这一点足矣。

太阳产生能量的方式

　　1945年，美国相继向日本投下了两颗原子弹，彻底驯服了法西斯野兽。美国白宫在事后发表的声明中义正言辞地说，原子弹将“太阳释放能量的力量降临到把战争带给远东的人”。

　　从感情上讲，这句话给终结二次世界大战的这次轰炸增添了几分替天行道的意味，再合适不过了。但从科学上讲，这句话存在些许的偏差。和广岛长崎的原子弹一样，太阳释放能量依靠的也是核反应。然而，原子弹使用的是重元素的核裂变，即一个分子量较高的元素通过链式反应，裂变成分子量较小的元素。说简单一些，就是一个大原子核裂变成几个小原子核。而太阳则走了一条方向相反的技术路线。太阳使用核聚变，将分子量为1的氢原子核（实质上就是一个质子），经过3步中间过程，聚变成分子量为4的氦原子核。无论是核裂变的大核变小核，还是核聚变的小核变大核，物质在核反应后的总质量均小于核反应之前，而损失的质量则转化成了原子弹爆炸或者太阳发光发热的能量，其基本原理可以用我们耳熟能详的爱因斯坦质能方程E=mc^2来描述。

太阳进行核聚变的三步链式反应。图片来源wikipedia

牛顿第二运动定律的常见表述是：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。该定律是由艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》一书中提出的。牛顿第二运动定律和第一、第三定律共同组成了牛顿运动定律，阐述了经典力学中基本的运动规律。

为了移动地球，地球人建造了万台超级聚变发动机，每座11公里高，总共能产生150万亿吨的推力，约为150亿亿牛顿。地球的质量大约6亿亿亿千克，利用牛顿第二定律，可以粗略计算除发动机推动地球产生的加速度约等于0.000000025倍的地球表面重力加速度，也就是0.00000025m/s2，相当于地球在一年后的速度只有大约7.9m/s，尚且不如博尔特在100m赛道上的速度，根本无法驱动地球逃离太阳系的束缚。

核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核是指由质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。这是一种核反应的形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。核聚变是核裂变相反的核反应形式。科学家正在努力研究可控核聚变，核聚变可能成为未来的能量来源。核聚变燃料可来源于海水和一些轻核，所以核聚变燃料是无穷无尽的。 人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。

影片中提到地球发动机的能量来自“重元素聚变”。核聚变这个概念我们并不陌生，“两弹一星”中氢弹就是一种剧烈的核聚变现象。所谓重元素聚变一般发生在大质量恒星演化末期的核心处，这里说的大质量最少也要8颗太阳质量以上了。

实际上，我们身边的元素，除了氢和氦，基本都是在恒星燃烧、超新星爆炸以及中子星合并过程中形成的。有句话说的很好“我们其实都是核废料”。

例题：

它们之间的平衡使太阳没有成为一颗氢弹

　　其实，这种力量就是我们最熟悉的重力，让牛顿的苹果落到地面的重力。

　　从感觉上，司空见惯的重力似乎很难和毁天灭地的核反应相匹敌。但量变会引起质变，聚合成质量相当于33万个地球的太阳的物质所产生的重力，已经足以控制住核反应。事实上，可以说是重力与核反应之间的相互作用主宰了太阳的生命印记。

美丽的猎户座星云，正在通过聚集物质的方式孕育新的恒星。图片来源：NASA

　　太阳这样的恒星形成于原始星云，在自身重力的作用下，组成原始星云的物质不断向一起聚集收缩，密度和压强不断增大。人类制造的核聚变装置中，无论是不可控的氢弹还是可控的托卡马克，像启动汽车发动机一样使核聚变开始，是一件相当困难的事情。进行核聚变的带正电荷的原子核间存在静电斥力，这种斥力像一座大山一样，横亘在核聚变发生的道路上。要触发核聚变，就必须先有足够的能量克服静电斥力，翻过这座大山，让发生聚变的原子核足够接近。在引爆氢弹时，触发核聚变发生，靠的是先行引爆的一颗小型核裂变原子弹所产生的温度和压强。对于托卡马克，这种“大力出奇迹”的点燃手段显然不适用，则需要采取欧姆加热和其他辅助加热手段共用的方式来让核聚变开始。

　　在太阳这样的恒星形成时，点燃核聚变靠的仅仅是重力的挤压。由于物质本身的压强产生的向外膨胀的力，不足以抵御驱动物质向内收缩的重力，星云中物质一边聚集一边向内收缩的过程可以不断持续下去，中心的密度和压强持续增高，迫使氢原子核相互接近，进而触发了核聚变反应开始。同时，恒星中聚集的质量又决定了核反应的速率。质量越大的恒星，中心会受到更大的重力压迫，产生更高的压强，使更多的氢原子核相互接近，核反应的速率也就更高。

　　当太阳已经是一颗成熟的恒星后，核反应的速率与恒星物质的重力达到了一种简洁又精巧的平衡。如果太阳从平衡态向外膨胀，中心受到的挤压减小，核反应的速率将会降低，产生的能量将会减少，恒星中心的温度将会降低。这样，恒星中心向外膨胀的力无法支撑恒星向中心收缩的重力，膨胀过程无法持续。反过来说，如果太阳向中间收缩，将会使核反应加速，产生更大的向外膨胀的力，收缩过程同样无法持续。总之，一旦步入壮年，太阳想向外扩张时后劲不足，想向里收缩时又会受到很大的抵触，因此只能稳定在一个相对固定的个头上。

使恒星向内坍缩的重力与使恒星向外膨胀的核聚变反应在主序恒星阶段达到平衡。原始图片来源：http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/olson1/

　　这种精巧的平衡并非我们太阳的专利，而是放之宇宙而皆准的一个基本原理。科学家们通过长期的观测积累后，发现处于壮年的恒星几乎都处在这样一种稳定的状态中。科学家们把处于这些状态的恒星称为“主序恒星”。对于这些恒星来说，确切的平衡点位置与恒星的总质量有关。质量较大的恒星，平衡状态下的核反应速率要高于质量较小的恒星。

光年

光年是长度单位，用来计量光在宇宙真空中沿直线传播了一年时间的距离，一般被用于衡量天体间的时空距离，其字面意思是指光在宇宙真空中沿直线传播了一年时间所经过的距离，为9,460,730,472,580,800米，是时间和光速计算出来的单位。

“年”是时间单位，但“光年”虽有个“年”字却不是时间单位，而是天文学上一种计量天体时空距离的单位。宇宙中天体间的距离很远很远，如果采用我们日常使用的米、千米（公里）作计量单位，那计量天体距离的数字动辄十几位、几十位，很不方便。于是天文学家就创造了一种新的计量单位——光年，即光在真空中用去一年时间所走过的距离。距离=速度×时间，光速约为每秒30万千米（每秒299,792,458米），1光年为9,460,730,472,580,800米。读作：九千四百六十兆七千三百零四亿七千二百五十八万零八百米。

比邻星

比邻星（毗邻星，Proxima Centauri)是南门二（半人马座α）三合星的第三颗星，依拜耳命名法也称为半人马座α星C。它是离太阳系最近的一颗恒星（4.22光年）。它是由天文学家罗伯特·因尼斯（Robert Innes）于1915年在南非发现的，当时他是担任约翰尼斯堡（Johannesburg）联合天文台（Union Observatory）的主管。

稍有天文常识的人都知道，距离太阳系最近的恒星是“比邻星”，只有4.2光年。虽说是只有4.2光年，但是对于我们来说也是遥远不过的距离了，要知道1光年大约等于9.5万亿公里。如果用最快的宇宙飞船，到比邻星去旅行的话，来回就得17万年。在广袤的宇宙系统中，虽说是比邻也远在天涯。

比邻星和太阳也就是离地球最近的两颗恒星，因科学家研究恒星的相互影响，测量科学数据时，最喜爱以比邻星和太阳为样本，这就是比邻星在科学上的最大价值。

例题：

你看这地球，多美啊！（GOSE-8气象卫星于地球静止轨道上拍摄）图片来源NASA

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