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科学视界 | 《流浪地球》背后隐藏的科学奥秘

来源:新澳门葡京赌场网站 发布时间:2019-02-10 22:00

  2019年2月5日《流浪地球》上映。这部由刘慈欣小说《流浪地球》改编的同名电影,5天累计票房达到了16亿元,成为名副其实的首部国产科幻大片。“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?带着种种疑问和思考,让我们一起走进《流浪地球》背后隐藏的科学奥秘。

  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。

  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”。

  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,那就需要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。

  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。

  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……

  为什么几千台发动机会同时熄火?为什么地震、火山都赶在这个时候来凑热闹?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……(作者:木辛君 清华大学航天航空学院工程力学系在读博士,中国科幻银河奖/星云奖获奖作者;本文审核:刘慈欣 高级工程师,科幻作家,中国作协会员,小说《流浪地球》作者、电影监制;本专栏与“科学加”客户端合作建设 内容来源:“科普中国”微信公众号)

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