《流浪地球》中有这些科学奥秘，快来讲给孩子听！
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年终于与观众见面了。
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。
《流浪地球》讲述了这样一个故事
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，大家想出一个办法：在地球上安装上万个发动机，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。
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，因为地面已经低温降至零下84度了。
在地球逐渐接近木星并最后要撞击木星的危险时刻，人们为了脱离危险，上演了一段段潸然泪下的求生故事。
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，让我们一起探寻这个电影故事中的科学奥秘！
01
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”。
02
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。
03
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。
04
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。
05
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。
它时隔多年，重新唤起了我们对科幻的热情。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。
来源：综合整理自微信公众号科普中国、人民日报、中国教育报等，部分图片来源于电影《流浪地球》
编辑：王璐璐
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