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《流浪地球》中的硬科学 1 近未来，科学家们发现太阳急速衰老膨胀，短 时间内包括地球在内的整个太阳系都将被太阳所吞 没。为了自救，人类提出一个名为“流浪地球”的大 胆计划，即倾全球之力在地球表面建造上万座发动 机和转向发动机，推动地球离开太阳系，用2500 年的时间奔往另外一个栖息之地-比邻星。 今天我们结合电影和原著小说，聊聊《流浪地 球》中的几大硬科学。 《流浪地球》简介 2 目前的天文学知识告诉我们，像太阳这样的 行星会从核心开始以一层一层的球壳将氢融合 成氦。这个过程会使恒星的大小逐渐增加，通 过次巨星的阶段，直到达到红巨星的状态。最 后其核心会塌陷成为致密白矮星。 处于红巨星时代的太阳会失去稳定调节机 制，能量产出不断增加，并且体积开始膨胀， 变得更红。在这种演化的末期，红巨星中心积 累了足够高的温度，最终会使得氦构成的核心 开始聚变，失控的氦核心燃烧会在数秒的短暂 时间内释放出巨大的能量，这被称作“氦闪”。 太阳氦闪 3 太阳目前已有近50亿岁，是处于最稳定的“中 年期”。天文学家们估计太阳还有50到70亿年的 寿命。估计约12亿年后发生首次氦的融合。 而在小说中这个过程被加速了，太阳的红巨星 期将在大约400年后到来。这就是人类要逃离太 阳系的目的了，因为随着太阳的膨胀。它慢慢会 将相邻的金星，水星和地球吞没。留给人类的时 间只有大约400年。 我们看到图片的正中央有一个醒目的蓝色光点 ，这就是氦闪的瞬间爆发出的闪耀光芒——而在 正常的状态下，这颗发生氦闪的恒星，在图片中 是完全分辨不出来的。氦闪爆发瞬间内核的温度 甚至能够上升到1亿K以上，释放出的能量也是非 常恐怖的，几乎相当于恒星寿命当中接近1/5左 右的能量。 4 电影中描述为一万座行星发动机，总推力 最多会达到150万亿吨。由于地球的质量为6亿 亿亿千克，根据牛顿第二运动定律（F=ma） 可以计算出，行星发动机能够给地球产生的加 速度大约为2.510^-7米/平方秒。虽然这个 加速度很小，但给予足够的时间，其实是可以 推动地球前进。 原著对行星发动机的解释：“用岩石中的硅 元素进行核聚变反应，获得高能高压的等离子 流。”所以可以将这种发动机理解为一套巨型 的核聚变离子脉冲推进系统。而这种发动机是 真实存在的，而且和电影中一样，也会喷出淡 蓝色的光焰。 行星发动机 5 离子发动机的工作原理是先将推进剂进行电离 ，再利用电场将离子加速喷出形成推力。 以 NASA 多年前开发的Evolutionary Xenon Thruster（NEXT）离子推进器为例，它使用氙作 为推进剂，氙原子核和电子首先在电场的作用下 分离，得到游离态的氙离子。之后，氙离子进入 了推进器尾端的两片栅格构成的静电场中，被加 速后高速喷出，形成推力。 虽然目前的离子推进器从推力上看只有几十毫 牛，也就能吹起一张纸而已，更别提脱离地球引 力，但在诸如深空探索、星际旅行等真空状态下 ，经过长时间累积加速后，还是可以完成高速飞 行及飞行器变轨等任务，目前已有很多的卫星及 探测器搭载了不同种类的离子推进器。 离子发动机 NASA的NEXT离子推进器 6 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”。 木星是太阳系中除了太阳之外最大的天体。其引力 大约比地球强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。比如地球上的四季就 是木星的引力作用。 木星大哥还保护了地球小弟不受众多小行星和彗星 的撞击，人类才得以在地球表面上演化出来。 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。 引力弹弓 7 可惜问题在于人类“没有算好”。主要原因还是在于速度不够，结果地球被木星的强大引力捕获了。 就像月球一样，被地球活生生的“抢过来”成了一颗卫星。而在电影中的问题就更严重一些，因为木 星引力太大，地球距离木星太近，差点超越洛希极限。 地球以速度V靠近木星，而木 星在轨道上以速度U运行 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 8 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。 洛希极限 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。 9 在影片的高潮阶段，地球落向木星。主人公突然想到：木星大气石油氢气组成，而地球大气中包含20%的 氧气。于是救援队点燃了木星和地球大气的混合气体，产生巨大的冲击波将地球推离木星。 这个桥段是经不住推敲的，氢氧混合燃烧其本质仍然是化学燃烧。如果说氧聚变可以将氧的质量的万分 之三转化为能量。那么氢氧混合燃烧过程中，能量转化只有百亿分之一。这也就意味着将地球上所有的氧气 和氢气混合燃烧所获得的能量也不足以改变地球的运行。更何况这样的爆炸的冲击波的方向性是很难把握 的。 点燃木星 10 谢谢聆听 11
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