別光看特效！幾張圖帶你看懂《流浪地球》里的科學奧秘

昨天，期盼已久的春節檔最耀眼的電影——《流浪地球》終於上映了！

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。

現實中，「流浪地球」真的可能發生嗎？明知靠近木星有危險，為什麼地球還要走這條路？

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！

為什麼要去木星？

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，於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，都是恆星，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。於是人類想到了藉助木星的「引力彈弓」，令地球零消耗改變方向、提升速度，最後到達比鄰星。

那為什麼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」。

重元素聚變有什麼限制？

所謂重元素聚變並不是什麼稀奇玩意兒。在宇宙深處有不少恆星「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，相當於把全球的地面挖掉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，那就藉助精巧的軌道計算，利用天文尺度的力量——萬有引力。於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麼回事？

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。這裡我們用木星（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

足夠靠近後，地球被木星引力抓住，牽引，優雅地轉體半周，然後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」可就要不怎麼愉快了。

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：數千台行星發動機故障熄火了，全球地震，火山爆發，岩漿吞沒了地下城……

圖中紅線部分為長城

為什麼幾千台發動機會同時熄火呢？為什麼地震、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，太近會發生什麼呢？

超過洛希極限會發生什麼呢？

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於洛希極限時，它們就傾向於被「潮汐力」撕碎。

計算表明，地球和木星的距離如果低於10.3萬公里，那麼大氣就會在潮汐力的作用下脫離地球；如果距離低於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，最後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10.3萬公里）。在此處，液體和氣體不再能被地球引力束縛，而傾向於逃逸；而岩石還勉強能憑藉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」（地木距離約7.44萬公里）。在此處，就連堅硬的岩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)

可以想像《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，那樣無法藉助引力彈弓變軌……

好的科幻對科學有指向意義

限於時間和篇幅，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、尤其是孩子們的想像力與求知慾。好的科幻作品，尤其是硬科幻，對於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，娛樂之餘，還能傳遞科學知識與科學精神。

作者：木辛君，清華大學航天航空學院工程力學系在讀博士，中國科幻銀河獎/星雲獎獲獎作者

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、電影監製

本文經授權轉載自

科普中國（ID：Science_China）

如需轉載，請聯繫原作者

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！