15选5走势图200期|15选5走势图连线
640.jpg

別光看特效!劉慈欣、吳京帶你看懂《流浪地球》里的科學奧秘

科普中國微平臺 2019-02-11

  本文專家:木辛君,清華大學航天航空學院工程力學系博士,中國科幻銀河獎/星云獎獲獎作者

  本文審核:劉慈欣,高級工程師,科幻作家,中國作協會員,小說《流浪地球》作者、電影監制

  期盼已久的春節檔最耀眼的電影——《流浪地球》終于上映了!這部由劉慈欣小說《流浪地球》改編的同名電影,歷時4年與觀眾見面,仿佛讓人等了幾個世紀之久。終于,今天中國科幻電影正式起航!

  

  本片除劉慈欣監制以外,更有吳京、李光潔、吳孟達等強大演員陣容助陣。超前點映口碑炸裂,看過的觀眾紛紛表示“穩了”!

  被譽為當代中國科幻“四大天王”之一的作家韓松撰文:“好多人都看哭了”。

  

  金馬影帝、十億票房擔當的徐崢直接給出了最高評價——

  

  顯然,為了打造中國第一部真正的硬科幻電影,劇組做了大量的功課,整部電影對太空、航天、機械等有著豐富的表現。無論你是不是科幻迷,這都是一部值得二刷三刷的電影!

  劉慈欣、吳京、龔格爾向科普中國的網友拜年

  硬科幻的魅力是什么?大概就是能跳出故事本身,讓我們對生活產生不一樣的思考。現實中,“流浪地球”真的可能發生嗎?明知靠近木星有危險,為什么地球還要走這條路?

  帶著種種疑問和思考,讓我們一起惡補,共同走進科學的奧秘!

  為什么要去木星?

  故事背景是這樣的:太陽急速老化,不斷膨脹,太陽系已經不適合人類生存,于是人類為自己選了一個新的家園——比鄰星(半人馬座三星)。

  

  比鄰星同太陽一樣,都是恒星,但質量只有太陽的八分之一

  地球是個龐然大物,半徑6371公里,重達59萬億億噸。但人類造出了同樣龐大的行星發動機,足以在5年左右將地球推進到逃逸速度(脫離太陽引力的最低速度)。

  

  行星發動機示意圖

  但這個速度還遠遠不夠。比鄰星(半人馬座三星)距離地球4.3光年,如果按照逃逸速度航行,需要7.7萬年才能抵達,這實在是太漫長了!

  即使行星發動機繼續加速,達到光速的百分之一仍然不可行。于是人類想到了借助木星的“引力彈弓”,令地球零消耗改變方向、提升速度,最后到達比鄰星。

  

  那為什么行星發動機不能加速到百分之一光速呢?這是因為行星發動機的能量來自“重元素聚變”。

  重元素聚變有什么限制?

  所謂重元素聚變并不是什么稀奇玩意兒。在宇宙深處有不少恒星“巨無霸”,內部就在進行著重元素聚變。

  

  重元素聚變的質能轉換效率是相當低的。最樂觀估計,地球要達到逃逸速度,也必須燒掉7億億噸的石頭,相當于把全球的地面挖掉40米做為燃料;要達到光速的百分之一,則必須削去地殼的一半。

  如果無法靠自己的力量推動地球,那就借助精巧的軌道計算,利用天文尺度的力量——萬有引力。于是人類將目光投向木星,這就是電影前半段上演的。

  木星的引力彈弓是怎么回事?

  航天中存在引力彈弓現象,利用它,可以令航天器零消耗低改變方向、提升速度,送達目標軌道。

  

  引力彈弓一般發生在一對重量相差懸殊的天體之間。這里我們用木星(紅色球)和地球(藍色球)舉個例子,如圖a和圖b所示。

  地球以速度V靠近木星,而木星在軌道上以速度U運行↓↓↓

  

  圖 a 引力彈弓的示意圖

  足夠靠近后,地球被木星引力抓住,牽引,優雅地轉體半周,然后像擲鐵餅那樣甩出去↓↓↓

  

  

  圖 b 引力彈弓的示意圖

  感謝木星甘當人梯的奉獻精神,地球獲得了木星的軌道速度U,疊加上原有的速度V,速度增加到了U+V。地球的速度和能量都增加了,卻沒有消耗任何燃料,就奔著新家園去了。

  

  但如果變軌時離一顆巨行星太近的話,這趟“觀光旅行”可就要不怎么愉快了。

  靠近木星時,行星發動機大批熄火

  當地球靠近木星時,人類突然遭遇了巨大危機:數千臺行星發動機故障熄火了,全球地震,火山爆發,巖漿吞沒了地下城……

  

  

  

  圖中紅線部分為長城

  為什么幾千臺發動機會同時熄火呢?為什么地震、火山都趕在這個時候來湊熱鬧呢?這一切災難的根源是“洛希極限”,簡單說就是地球離木星太近了,太近會發生什么呢?

  超過洛希極限會發生什么呢?

  洛希極限(Roche limit)是天文學中的一個特殊的距離。當兩個天體的距離少于洛希極限時,它們就傾向于被“潮汐力”撕碎。

  計算表明,地球和木星的距離如果低于103萬公里,那么大氣就會在潮汐力的作用下脫離地球;如果距離低于7.44萬公里,那整個地球都會被撕碎。

  潮汐力有多可怕,我們拿一個茶壺和茶杯舉例子:

  

  圖 c 用來演示潮汐力的茶杯

  我們在杯壁頂部倒一些水,讓它在重力作用下向著杯底滑落。越靠近杯底,水滴會越拉越長,最后被拉扯到了撕裂的極限。這個極限就可以被認為是這個茶杯對水滴的“洛希極限”。

  木星的引力場,實際上就是這樣一個“茶杯”。地球尺寸很大,當它靠近木星時,離木星較近一側受到的引力,將比較遠一側大得多,因此會像水滴一樣被逐漸撕裂。

  《流浪地球》電影中,地球已經到達了地木“流體洛希極限”(地木距離103萬公里)。在此處,液體和氣體不再能被地球引力束縛,而傾向于逃逸;而巖石還勉強能憑借自身的硬度堅持一會兒↓↓↓

  

  

  圖 d 地木流體洛希極限模擬(二維簡化模型)

  再靠近木星一點,地球將進入地木“剛體洛希極限”(地木距離7.44萬公里)。在此處,就連堅硬的巖石都會被引力差撕碎,地球將徹底解體↓↓↓

  

  圖 e 地木剛體洛希極限模擬(二維簡化模型)

  可以想象《流浪地球》中,人類面臨的是怎樣的絕望了。太靠近木星不行,那樣會被潮汐力撕碎;太遠離木星也不行,那樣無法借助引力彈弓變軌……

  好的科幻對科學有指向意義

  限于時間和篇幅,在此只能對《流浪地球》中兩個關鍵情節的科學背景進行討論。實際上電影中涉及的科學知識非常多,設定詳實,且高度融入劇情。

  最重要的是,它們引出了很多值得思考的問題。從這個角度看,一部好的科幻電影真的能開啟觀眾、尤其是孩子們的想象力與求知欲。好的科幻作品,尤其是硬科幻,對于科學是有比較強烈的指向意義。

  在春節之際看到這樣一部國產科幻電影,娛樂之余,還能傳遞科學知識與科學精神。

  讓我們一起為中國科幻點贊!

責任編輯:王超

科普中國APP 科普中國微信 科普中國微博
科普中國微平臺
是中國科協為深入推進科普信息化建設而塑造的全新品牌,旨在以科普內容建設為重點,充分依托現有的傳播渠道和平臺,使科普信息化建設與傳統科普深度融合,以公眾關注度作為項目精準評估的標準,提升國家科普公共服務水平。

猜你喜歡

15选5走势图200期 p2p投资理财平台前十 保利地产股票分析报告 股票开盘时间 中国一重股票分析报告 股票配资平台代理招商 股票行情002216 股票融资怎么操作 短线股票推荐 投资理财平台安全吗 炒股心得