《流浪地球》如何带着地球搬家？电影中的科学奥秘

　　老师家长，你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，你该如何给孩子答复的呢？

　　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。

　　很多人看完电影后表示，不相信这是中国拍的。很多人看完后依然意犹未尽。

　　《流浪地球》讲了一个脑洞十分大的故事。

　　未来的某一天，人们发现太阳在急速老化，快要炸了，人类唯一生存的办法就是逃离太阳系。

　　但是，最近的适合居住的星系是4.2光年外的比邻星。

　　于是，大家想出一办法，把地球上安装上上万个发动机。

　　把地球推走。

　　这就是行星发动机。

　　人类建造了1万个行星发动机，遍布世界各地。

　　这样就能把地球推离太阳系。

　　但是把地球搬家的步骤也很繁琐，总体需要这样五个步骤：

　　第一步，用地球发动机使地球停止转动，使发动机喷口固定在地球运行的反方向；

　　第二步，全功率开动地球发动机，使地球加速到逃逸速度，飞出太阳系；

　　第三步，在外太空继续加速，飞向比邻星；

　　第四步，在中途使地球重新自转，调转发动机方向，开始减速；

　　第五步，地球泊入比邻星轨道，成为这颗恒星的卫星。

　　当这一万个行星发动机全部启动，地球就是如此壮观的景象：

　　但是人类为了这个计划，也付出了巨大的代价。

　　让地球刹车，并推动地球前进，让板块变动，引发了滔天海啸和地震；地球人口减半，只剩35亿人口……城市陷入冰封。

　　幸存的35亿人，被迫迁入地下城，因为地面已经低温将至零下84度了。

　　就在这种时刻，人类为了生存，艰难前行。

　　在这时，当地球还没有飞出太阳系，飞近了木星的时候，被木星引力吸引，地球逐渐接近木星并最后要撞击木星的危险时刻。

　　在这危机关头，人们为了脱离危险，上演了一段段潸然泪下的求生故事。

　　老师家长，你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，你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！

　　1 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”。

　　2 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。

　　3 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。

　　4 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？

　　5 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bug。

　　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。