科普 | 《流浪地球》背后的那些“黑科技”
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今天是大年初八，己亥猪年的第二个工作日，新的追梦之旅即将开始。回顾刚刚过去的新春佳节，由刘慈欣小说《流浪地球》改编的同名电影《流浪地球》好评如潮。
未来世界的北京、杭州和上海被冰雪封冻，住在地下城的人类吃着芒果味蚯蚓干；通过上万台发动机推动，地球开始“逃离”太阳系，却又遭遇撞击行星的危机......关乎人类存亡的考验接踵而至，舍弃地球还是守卫家园？亲情可贵还是使命重要？
浩瀚宇宙中壮观的木星景观，地球在一万台发动机助推下像宇宙飞船般“流浪”，地震时建筑物轰然坍塌的惨烈......影片中波澜壮阔、气势磅礴的特效场面，真正融合剧情，让想象力完美落地。除此之外，作为中国第一部真正的硬科幻电影，剧组做了大量功课，整部电影对太空、航天、机械等有着丰富的表现。
硬科幻的魅力是什么？大概就是能跳出故事本身，让我们对生活产生不一样的思考。现实中，“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？让我们一起探寻科学的奥秘。
为什么要去木星？
影片的故事背景是这样的：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，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，这实在太漫长。
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，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？
重元素聚变并不稀奇，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7亿亿吨石头，这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。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地改变方向、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。
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 来源:科普中国
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 来源:科普中国
地球获得木星的轨道速度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
影片中，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……
△图中红线部分为长城 来源:科普中国
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。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 来源:科普中国
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) 来源:科普中国
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) 来源:科普中国
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……
好的科幻对科学有指向意义
限于时间和篇幅，在此只能对《流浪地球》中两个关键情节的科学背景进行讨论。实际上电影中涉及的科学知识非常多，设定详实，且高度融入剧情。
最重要的是，它们引出了很多值得思考的问题。从这个角度看，一部好的科幻电影真的能开启观众、尤其是孩子们的想象力与求知欲。好的科幻作品，尤其是硬科幻，对于科学是有比较强烈的指向意义。
电影里有这样一个片段，因为地球距离木星太过接近，所以联合国决定让太空站“叛逃”，保留人类最后的火种，称为“火种计划”。那么其中，就涉及到了一个科学名词，也就是在电影中出现过的“洛希极限”。
洛希极限:是一个天体自身的重力与第二个天体造成的潮汐力相等时的距离。当两个天体的距离少于洛希极限，天体就会倾向碎散，继而成为第二个天体的环。它以首位计算这个极限的人爱德华·洛希命名。
具体解释一下：当地球“流浪”到木星附近，此时，地球相当于木星的一个卫星。
地球面对木星的这一面，和木星的距离就比背面受到的木星引力大。此时，地球就感受到了一个拉伸的力，也就是潮汐力。之所以叫做潮汐力，原因就在于地球上的涨潮落潮就是太阳和月亮对地球海洋的潮汐力造成的，由于月亮距离地球近，尽管太阳的质量比月亮大很多，但是月亮的潮汐力还是更大一些。
如果地球距离木星很近，地球感受到的潮汐力就会特别大，最后被潮汐力撕碎。
法国天文学家在1848年计算了这个被撕裂的极限距离，这个距离就被称为“洛希极限”。
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洛希极限
在《流浪地球》的世界中，太阳内核极速老化，持续膨胀，地球将被吞没。为了生存，人类倾尽所有，在亚洲与美洲建造了一万座推动地球前进的行星发动机。每座行星发动机由紧贴地面的七条支架支撑，中间位置安置转向结构，负责调整角度。六个巨型排气孔方便散热，顶部由矢量叶片组成的喷口，喷射着蓝色强光柱。除此之外，行星发动机体量感巨大，每座高达一万一千米，比珠穆朗玛峰还高2000多米。
作为《流浪地球》世界中的核心科技，行星发动机主要作用就是将地球推离太阳，推进地球在太空“流浪”，直到地球进入离太阳最近的比邻星轨道。为了带着地球去流浪，万座行星发动机全功率开启，将为地球提供一百五十万亿吨的推力，驱使地球离开太阳系。行星发动机是让人类文明得以延续的关键，也是掌握人类命脉的核心。
无论外表还是细节，行星发动机的体量感、重工业质感以及现实基础都被《流浪地球》团队都研究到了极致。尽最大能力还原刘慈欣小说中文字描写的同时，也通过行星发动机这一核心，表现了“中国人带着地球去流浪“的情感。
流浪地球的第一步就是停止地球的自转，称为地球的“刹车”。原理就是利用建造在赤道上的行星发动机产生的强大推力，使得地球逐步减速直到停止自转。当“刹车”时代到来，地球表面已经被冰雪覆盖，气温降至零下80多摄氏度，包括央视大楼、东方明珠塔等在内的地标建筑全都被冻结在冰天雪地中。为了生存，人类只得离开地球表面，移居地下城。
电影中人类的科技发展水平远超今日，地下城的入口是高大的隧道，坡度不大，车辆可以直接出入。主角所在的地下城的主干通道被岩浆破坏后，36万人的城市通过中央升降机运送，仅仅用了六小时左右，就送出了三十多万人。
地下城内部，发达的科技很好地维持了人类的生活水准，热闹的市井和正常运转的生活秩序，丝毫感觉不到这是在地底下。影片故事正好发生在春节期间，地下城还有充满节日氛围的舞狮表演，饺子照包，麻将照打。
空间站人工智能MOSS欺骗所有宇航员进入低能耗阶段（即让所有宇航员都在休眠仓中沉睡），实际上开启了火种计划，抛弃即将毁灭的地球，带着最后的人类文明进入宇宙流浪，吴京饰演的中校在不知情的情况下将之称之为“叛逃”，在经历了一系列艰难的操作后来到主控室，打算结束人工智能MOSS，MOSS才告诉他这是联合政府最后的计划，它只是这个计划的执行者。
人工智能MOSS致敬了《2001太空漫游》中的人工智能HAL9000。而在片中MOSS的一句经典台词“让人类永远保持理智，的确是一种奢求。”，来自于《流浪地球》原著中地球派的一句话“我们理解所有的人，因为在已经进行了四十代人、还要延续一百代人的艰难奋斗中，永远保持理智确实是一个奢求。”
《流浪地球》中，太阳氦闪爆炸伊始，人类在选择逃生路线时产生了分歧，飞船派与地球派各持己见。飞船派认为制造一艘“诺亚方舟”式的宇宙飞船，在飞船内部创造一个独立的生物圈，通过生物圈循环的碳痒交换来提供人类生存的基本资源。
而地球派认为，由于地球引力的作用，人类无法在地球上建造出足以带走全部人口的大型宇宙飞船，飞船派的想法只能带走一部分人。他们主张直接改造地球，将地球变成前所未有的巨型宇宙飞船，通过行星发动机将地球搬运至半人马座恒星轨道，实现规避太阳爆炸的灾难。
换种角度看，改造后的地球已经不是原来那个地球了，而是一个彻头彻尾的巨型飞船。地表不再适宜人类居住，坚硬的地壳反而成为这座巨型飞船的保护壳，人类生活在地下城就跟生活在宇宙飞船内部一样。可是不管怎么改造，样貌如何变化，人类毕竟还生活在地球，人类也没放弃地球。可能长期受安土重迁的华夏文明熏陶，刘慈欣笔下的人割舍不了对地球的情感，就算到了世界末日，也要带着地球一起跑.....
来源：南通大学大学生科协、科普中国、网络
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