《流浪地球》中的科學(xué)

王元卓

影片《流浪地球》一改往日災(zāi)難片中人類乘坐宇宙飛船逃離地球的情節(jié)，而是讓人類帶著地球逃離災(zāi)難，展現(xiàn)了中國(guó)人的家園故土情懷，突出了中國(guó)人強(qiáng)調(diào)的“愚公移山”精神和“人定勝天”的理念，打開了一個(gè)新的科幻維度空間。

《流浪地球》展現(xiàn)了富有科學(xué)依據(jù)的災(zāi)難背景、符合科學(xué)原理的避難措施，描繪了一個(gè)全新的地下避難救災(zāi)的宏大場(chǎng)景。

01《流浪地球》中的科學(xué)

太陽的演變

人類實(shí)“流浪地球”計(jì)劃，是因?yàn)樘柤彼偎ダ吓蛎?，即將把包括地球在?nèi)的整個(gè)太陽系脫沒。那么，太陽糾竟發(fā)生了什么？如果真按“流浪地球”計(jì)劃那樣讓地球停止自轉(zhuǎn)，又會(huì)發(fā)生什么事情呢？

對(duì)流層：厚約15萬千米，輻射層傳來的能量在這里以對(duì)流的形式傳出去。

日核：占太陽半徑的1/4，質(zhì)量達(dá)到太陽質(zhì)量的一半。溫度達(dá)1500萬℃，隨時(shí)都在進(jìn)行著4個(gè)氫核聚變成1個(gè)氦核的核聚變反應(yīng)。

輻射層：從日核到0.71個(gè)太陽半徑的區(qū)域。日核聚變產(chǎn)生的能量在這里以電磁波的形式傳向太陽外層。

太陽演變?yōu)榧t巨星，地球的命運(yùn)將怎樣？

由于潮汐力的存在，目前地球正在以15厘米/年的速度遠(yuǎn)離太陽。

地球自轉(zhuǎn)：地球繞自轉(zhuǎn)軸自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)，從北極點(diǎn)上看呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。地球自轉(zhuǎn)軸與黃道面成66.5°的夾角，與赤道面垂直。地球自轉(zhuǎn)一周用時(shí)23小時(shí)56分4秒。

轉(zhuǎn)逮變化：一方面風(fēng)的季節(jié)性變化導(dǎo)致地球的自轉(zhuǎn)在春天轉(zhuǎn)得慢，在秋天轉(zhuǎn)得快。另一方面潮汐作用導(dǎo)致地球的自轉(zhuǎn)越轉(zhuǎn)越慢。據(jù)推算，2億年后，一年僅有300天，一天會(huì)有30小時(shí)。

想讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)需要多大力氣？

電影中，每臺(tái)行星發(fā)動(dòng)機(jī)通過重核聚變能夠產(chǎn)生150萬億噸的推力，產(chǎn)生的加速度是0.000 000 025米/秒，在赤道附近的轉(zhuǎn)動(dòng)速度大約就是460米/秒。對(duì)于一臺(tái)行星發(fā)動(dòng)機(jī)而言，需要218569天（大約600年）的時(shí)間才能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

地球不轉(zhuǎn)了會(huì)發(fā)生什么？

每個(gè)白天和黑夜將持續(xù)半年，甚至?xí)驗(yàn)楸惶栆︽i定，所以一個(gè)半球永遠(yuǎn)是白天，另一個(gè)半球永遠(yuǎn)是黑夜。

大氣層會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)烈颶風(fēng)。引力導(dǎo)致海水上漲，帶來巨大潮汐。

02《流浪地球》中酌科學(xué)

銀河系和比鄰星

人類的計(jì)劃是，用上萬臺(tái)行星發(fā)動(dòng)推動(dòng)地球遠(yuǎn)離太陽，前往想對(duì)安全的比鄰星系。那么，比鄰星系在哪里，地球需要飛多久才能到達(dá)那里呢？

宇宙測(cè)量

在可觀測(cè)的宇宙中，星系的總數(shù)可能超過1000億個(gè)，最古老的星系距今約135.5億年。已知最大的星系距地球大約10.7億光年，直徑約560萬光年，相當(dāng)于銀河系直徑的50多倍。

銀河系

銀河系中包括1200億顆恒星和大量的星團(tuán)、星云，還有星際氣體和塵埃。太陽系就位于銀河系中。銀河系直徑約10萬光年，總質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的8000億～].5萬億倍。

銀河系中間厚、邊緣薄，呈扁平狀。通常我們看到的銀河其實(shí)只是銀河系的一部分，位于天鷹座和天赤道相交處。在北半天球，它經(jīng)過天鵝等星座，跨入天赤道，再往南經(jīng)過南十字星、天蝎座、人馬座等。

銀河系是巨大的棒旋星系，其內(nèi)的恒星、氣體和塵埃等分布成旋渦狀，這種旋渦被稱為旋臂。太陽系位于獵戶座旋臂、人馬座旋臂和英仙座旋臂之間。

柯伊伯帶：它是一個(gè)由眾多冰質(zhì)小天體組成的環(huán)。這些天體由冰、巖石和塵埃組成。

奧爾特星云：50億年前形成的奧爾特星云，包圍著太陽系，星云內(nèi)布滿了不活躍的彗星，距太陽約5萬～10萬個(gè)天文單位，差不多等于1光年，約等于太陽與比鄰星距離的1/4。

目前，人類能《實(shí)王見的最快空間飛行速度為26.4萬千米/時(shí)。從地球抵達(dá)比鄰星的總飛行時(shí)間約].7萬年?！读骼艘睬颉分性O(shè)定速度最快時(shí)可達(dá)光速的5‰。從地球抵達(dá)比鄰星的總飛行時(shí)間約2500年。

比鄰星VS太陽

階段：紅矮星

亮度：徹星等*ll等

直徑：約為太陽直徑的1/7

質(zhì)量：約為太陽質(zhì)量的l/B

年齡：48.5億歲

溫度：表面約2800℃

階段：主序星

亮度：視星等一26.74等

直徑：14口萬千米

質(zhì)量：2×1030千克

年齡：46億歲

溫度：表面約5700℃

03《流浪地球》中的科學(xué)

“流浪地球”

計(jì)劃的可行性

在電影中，人類讓地球靠近危險(xiǎn)的木星，這樣做的目的究竟是什么呢？還沒有出太陽系，地球就差點(diǎn)被木星吞噬，“流浪地球”計(jì)劃真的可行嗎？為什么選擇帶著地球流浪？

距離太陽系最近的比鄰星沒有行星（不過，最新的天文研究成果顯示，比鄰星的行星已被發(fā)現(xiàn)）;最近的有行星的恒星系在850光年外;人類目前還不具備建造大型、穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)的技術(shù)。

“流浪地球”計(jì)劃

階段1：剎車階段

行星發(fā)動(dòng)機(jī)使地球停止自轉(zhuǎn)。

階段2：逃邕階段

全功率開動(dòng)行星發(fā)動(dòng)機(jī)，加速駛出太陽系。

階段3：先流浪階段

利用太陽和木星完成加速，駛向比鄰星。

如何利用木星加速？

利用行星的引力改變飛行軌道和速度，即引力彈弓效應(yīng)（引力助推）。木星公轉(zhuǎn)速度約為13千米/秒。當(dāng)?shù)厍蛲ㄟ^木星后，即使不計(jì)算地球發(fā)動(dòng)機(jī)帶給地球的額外速度疊加，地球獲得的速度也將至少達(dá)到55.8千米/秒，足以完成逃離太陽系的任務(wù)。

為什么會(huì)墜落木星，地球解體？

當(dāng)兩個(gè)天體的質(zhì)量和引力場(chǎng)強(qiáng)度存在差異并且距離足夠近時(shí)，質(zhì)量較小、引力場(chǎng)強(qiáng)度較弱的天體就會(huì)被另一個(gè)更大天體的潮汐力拉扯解體。該定義極限距離就是洛希極限。地球與木星的剛體洛希極限約為6.27萬千米。在電影中，地球大氣與木星大氣的距離大于洛希極限，所以木星的引力并不會(huì)把地球撕碎。點(diǎn)燃木星可行嗎？

木星是一顆氣態(tài)行星，大氣中氫含量高達(dá)90%。從地球抽取的大量氧氣和木星的大氣中的大量氫氣混合，具備了燃燒的條件。爆炸所需的氫氣的濃度為4%-70%，但過低的氧氣含量仍然無法點(diǎn)燃木星。

階段4：后流浪階段

利用500年時(shí)間將地球加速到光速的5‰，然后滑行1300年，再調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，利用700年進(jìn)行減速。

階段5：新太陽時(shí)代

地球泊入比鄰星軌道，成為比鄰星的行星。地球流浪為什么沒帶月球？

地月之間的引力無法讓地球以一個(gè)相對(duì)靜止的狀態(tài)向前前進(jìn)。逃逸過程中，如果月球還在跟隨地球，那么月球就必須保持同速，否則行星發(fā)動(dòng)機(jī)的工作量就要加大（必須把助推月球考慮進(jìn)去）。兩者的速度如果有差異，就會(huì)出現(xiàn)月球和地球相撞的可能。

04《流浪地球》中的科學(xué)

地下城的

生活和危險(xiǎn)

為了應(yīng)對(duì)宇宙空間的惡劣環(huán)境，人類被迫在“流浪地球”計(jì)劃實(shí)施過程中躲進(jìn)地下城中。那么，在地下城里，人類該如何生存呢？

地下城的居住條件

溫度：向下每千米地溫增加25～30℃，地殼以下5千米，地溫是125～150℃。估計(jì)修建地下城最需要的是制冷設(shè)備吧。

通風(fēng)：對(duì)于室內(nèi)長(zhǎng)期低濃度的污染，人們沒有抵御手段，被動(dòng)吸入大量污染物會(huì)損害健康。通過技術(shù)平衡空氣中氧氣、二氧化碳、懸浮顆粒等成分，是地下生活的重要健康保障。

水循環(huán)：可以將給水、排水系統(tǒng)組成一個(gè)閉路循環(huán)的用水系統(tǒng)。將產(chǎn)生的廢水處理后重復(fù)使用，可不補(bǔ)充或僅少量補(bǔ)充新鮮水，不排放或少排放廢水。

光合作用：綠色植物利用太陽的光能，吸收二氧化碳和水，制造有機(jī)物質(zhì)并釋放氧氣。光合作用的產(chǎn)物主要是碳水化合物，并釋放出能量。

任地下城里是否有四季？

四季的形成：地球自轉(zhuǎn)軸與地球繞太陽公轉(zhuǎn)面之間有一個(gè)夾角（23.5°）。當(dāng)?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，太陽直射地球的位置在南回歸線到北回歸線之間移動(dòng)。當(dāng)太陽直射點(diǎn)位于北半球時(shí)，北半球獲得的熱量高，處于夏半年;反之，當(dāng)太陽直射點(diǎn)位于南半球時(shí)，北半球獲得的熱量低，處于冬半年。

當(dāng)?shù)厍蛲Ｖ棺赞D(zhuǎn)并且脫離太陽系時(shí)，想要看到四季景色只能通過模擬來實(shí)現(xiàn)了。

在地城里是否有危險(xiǎn)？

巖漿：巖漿產(chǎn)生于上地幔和地殼深處，主要成分為硅酸鹽和含揮發(fā)成分的高溫黏稠熔融物質(zhì)。據(jù)測(cè)定，巖漿的溫度一般在900～1200℃，最高可達(dá)1400℃。

地震：在地表以下5千米的地方，絕大部分都是堅(jiān)硬的巖石。在這里修建地下城，地震發(fā)生時(shí)的地震傾覆力矩相對(duì)于地面的建筑物要小得多，因此，從建筑的結(jié)構(gòu)抗震性能來講，地下城更抗震。

活動(dòng)斷層：同時(shí)，要考慮是否有活動(dòng)斷層穿過?；顒?dòng)斷層不僅與地震的發(fā)生關(guān)系密切，而且斷裂活動(dòng)對(duì)于地下結(jié)構(gòu)及建筑物的安全會(huì)產(chǎn)生致命的破壞。

摘自《科幻電影中的科學(xué)：科學(xué)家奶爸的宇宙手繪》，科學(xué)普及出版社