中國首部大型科幻片《流浪地球》佔據了春節檔電影票房的主導地位。電影《流浪地球》官方微博宣布,春節假期總票房突破20億。其以「硬科幻」的特點收穫大量好評,「硬科幻」,即具有嚴謹科學底蘊、基於科學原理的科幻作品。當然,也有不少人對其中的科學知識產生思考,那影片中涉及到的哪些說法具有較強的科學基礎,哪些說法現在也還只是幻想?
《流浪地球》講述了太陽即將死亡,進入紅巨星的膨脹階段,地球會被膨脹的太陽大氣所淹沒。在人類命運面臨存亡的關頭,人類聯合政府做出了一項決定,地球作為一個龐大的飛船駛離現有軌道,奔向距離它4.2光年的比鄰星。
根據劉慈欣小說原著中的設定,人類的此次逃亡是一場分為五個階段,時間跨度長達2500年才能完成的人類拯救計劃。這五個階段分別是剎車階段:憑藉赤道上的「行星發動機」的巨大推力,使地球停止自轉;逃逸階段:全功率開動行星發動機,使地球加速駛出太陽系;流浪階段一:利用太陽和木星完成最後的加速,駛向人類選定的新家園「半人馬座比鄰星」;流浪階段二:駛出太陽後,行星發動機全功率開啟,利用500年時間將地球加速到光速的千分之五,然後滑行1300年,然後調轉發動機,利用700年進行減速;新太陽時代:地球泊入比鄰星軌道,成為比鄰星的衛星。
關於引力彈弓
《流浪地球》電影中,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,平均半徑6371公裡,質量超過59萬億億噸,人類給地球安裝上萬座巨大的重元素聚變發動機,它們被稱作行星發動機,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),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,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。於是電影裡讓它藉助木星的「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。
木星體積大約是地球的1300倍,上圖中地球以速度V靠近木星,而木星在軌道上以速度U運行,當地球和木星足夠靠近時,當地球靠近木星時,會被其強大的引力吸引,從而加快行進速度,然後像擲鐵餅那樣甩出去,那這時地球就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,從而達到脫離太陽系所需速度,卻沒有消耗任何燃料,那這個就叫做引力彈弓效應。
據南京航空航天大學理學院副教授李晉斌說,「引力彈弓」是一種飛行器加速常用的方法,我們向地球以外的天體發射飛行器時,常會應用到其他行星或天體做「引力彈弓」,以此來節省燃料、時間和計劃成本,在人類的航天徵程中,引力彈弓效應的應用已十分廣泛。美國的「卡西尼」號探測器了,它於1997年10月15日從地球發射前往目的地——土星,但只帶了很少的燃料。它在1998年4月26日利用了金星的彈射,在1999年7月24日利用了金星的第二次彈射,又於1999年8月18日利用了地球的彈射,後於2000年12月30日利用了木星的彈射,最終於2004年7月1日抵達土星。還有首個進入星際空間的人類探測器「旅行者1號」在飛離太陽系前,就曾多次藉助引力彈弓效應;「帕克」太陽探測器也曾7次藉助金星的「引力彈弓」而逐漸逼近太陽,最終成為史上最靠近太陽的太空飛行器。
關於重元素聚變發動機(行星發動機)
高度達11千米,比珠穆朗瑪峰還高2.2千米的重聚變發動機。每臺發動機能提供150億噸的推力,而這樣的發動機在歐亞大陸和美洲大陸總共有一萬兩千臺,總共能提供150萬億噸的推力,如此大的動力方可在5年左右將地球推進到逃逸太陽引力的最低速度,即16.7公裡/秒。
重聚變,就是由重原子進行的核聚變,從「矽」開始大質量恆星「重聚變」過程是:矽–28→硫–32 → 氬–36→鈣–40→鈦–44 → 鉻 –48 → 鐵–52(鐵–56),核聚變走到鐵這一步,就不再釋放能量,而是吸收能量,所以重聚變最後產生的廢渣就是鐵。「重聚變」釋放出的能量,比氫彈爆炸釋放的能量要大很多很多。當然重聚變需要的溫度也高得多、壓強也要大得多才能實現,我們地球上巖石的主要成分是「矽」。小說和電影中,利用巖石為主要燃料進行核聚變,正是有了重聚變發動機,才能讓「流浪地球」計劃成功,因為巖石在地球上到處都是,提供了無窮無盡的燃料。目前人類已經實現的聚變是氫彈,它利用氫同位素聚變釋放出能量,有巨大的威力。但氫彈的能量是爆炸式釋放,目前人類還不能實現可控核聚變,即讓聚變產生的能量平穩輸出,一些相關裝置還處於實驗階段。
關於洛希極限
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10.3萬公裡,那麼大氣就會在潮汐力的作用下脫離地球;如果距離低於7.44萬公裡,那整個地球都會被撕碎,這個距離極限值是由法國天文學家洛希首先計算出的,因此稱為洛希極限。
我們拿一個茶壺和茶杯舉例子: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。
在《流浪地球》電影中,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……發生災難的根源就是洛希極限。
我們最後探討的問題是太陽何時變為紅巨星?答案是至少50億年後,太陽變為紅巨星只是《流浪地球》中的一個假設。現實中的太陽按照恆星正常的壽命,50億年之後才會變為紅巨星。那時候人類大概已經移民到其他恆星系星球