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原创物理学背景

关于这一点,无论是《流浪地球》的原著还是电影都没有给出详细的数据。但可以预计的是,地球上的石头应该是不会用完的,足以使地球经过25个世纪的飞行抵达环绕比邻星的轨道。

了解刘慈欣的原著背景是看懂流浪地球的第一步,原著中这样写:

在《流浪地球》中,为了让地球冲出太阳系,人类在地球上安装了上万台行星发动机,其能量来源为重元素聚变,而这些元素来自于石头。石头的主要成分为硅酸盐,其组成元素为碳、氧和硅,它们在理论上发生核聚变反应是没有问题的,关于这一点可以参照恒星内部的核聚变反应。

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太阳老化,科学家通过各种数据得出太阳短时间内会产生巨变,形成骇闪,地球会毁灭。面对这种情况,为了应对危机,人类内部产生两种不同意见,地球逃生派和飞船逃生派。

在中低质量恒星的核心区域,核聚变反应一般只会进行到氦核聚变,少数会在末期进行到碳核聚变的地步。而在大质量恒星的核心区域,当它们离开主序阶段之后,核聚变反应一直会进行到第26号元素铁。

核聚变反应的本质是质能转换,较轻的原子核聚变为较重的原子核之后,将会有部分的质量转化为能量,这种能量释放非常剧烈,因为质能转换的因子是光速的平方。正因为如此,太阳每秒能够释放出那么多能量,并且可以持续上百亿年。在太阳的核心区域,每秒大约有420万吨的氢原子核转变为3.8×10^26焦耳的能量。地球的总质量可达6亿亿亿公斤,消耗一小部分的质量,再借助木星的引力弹弓效应,应该就足以把地球推离太阳系,并进入比邻星的轨道。

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地球派主张以整个地球为载体,在世界各地建造核聚变大功率发动机;飞船派主张建造城市那么大的宇宙飞船进行跑路。最终因为生态系统循环稳定性等原因(一个飞船的生态系统不足以维持数十代人的生存与延续),地球派得到大部分人的支持,全球开始建造地球发动机。

​倘若地球上的石头真的不够燃烧,但至少可以把地球推出太阳系,因为这种情况所消耗的石头总质量大约为数亿亿吨。在这种情况下,地球真的就要在太空中一直流浪,因为地球没有办法减速,无法被其他恒星捕获,它将成为一颗游荡在星际空间中的流浪行星。

先利用赤道发动机反向喷射停止地球自转,再开动全部发动机让地球加速至逃逸速度脱离太阳系,开始流浪。流浪的最终目标是离太阳系最近的比邻星系的合适轨道,这个流浪过程要经历几十代人。

地球刹车停转时,地球日落了三天三夜,主角降生,在十多年后,地球开始加速围绕着太阳绕圈,期间主角经历了地球在近日点的全球恐慌、经历了火山爆发导致地下城被岩浆侵蚀、经历了地球穿越小行星带时地球舰队用反物质炸弹轰击小行星的场面。最终地球绕日轨道进行运行至木星附近时,在木星强大的引力下的反作用,最终脱离太阳引力,地球全面加速。

多年后,地球已经逃出太阳系,然而太阳还是没有什么异常变化。这时候很多人开始怀疑太阳骇闪毁灭地球的说法,认为这是联合政府搞独裁,以一个骗局来统治幸存的人类。这种说法得到越来越多的人相信与支持,人类开始暴乱推翻联合政府。反政府组织最终推翻了联合政府,把联合政府的高层全部处决在遥远的太阳余晖下。

就在此时,太阳骇闪爆发了,吞没了整个太阳系的空间……结尾处,幸存的地球人类继续操控着地球在宇宙中飘荡,主角已经做了爷爷,他的后代,以及后代的后代,接下来数十代人都要继续保持这样的生活,直到比邻星的光辉重新照耀地球。

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相关知识背景

氦闪太阳

太阳是以内部氢核聚变方式向外发光发热的,当内部的氢元素消耗得差不多的时候,内部的高温高压会激发氦元素的聚变,这个时候的太阳就会发生氦闪,说白了就是太阳老了,自爆了。

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原著:“太阳内部氢转化为氦的速度突然加快,太阳的演化已向主星序外偏移,氦元素的聚变将在很短的时间内传遍整个太阳内部,由此产生一次叫氦闪的剧烈爆炸”。

意思就是太阳加速衰老,氦闪之后,太阳将变为一颗巨大但暗淡的红巨星,结果爆炸之后还膨胀了,到时候体积庞大到能把地球都吞了。

事实上用不着太阳吞地球,氦闪之时地球已被汽化了。这就是《流浪地球》中给地球装发动机的原因。

地球如何逃离太阳的毁灭

这是电影对原著设定最大的“省略”之处。

你以为装上发动机就可以让地球直线逃离吗?并不是,行星这样的“越轨”,也要符合轨道动力学,太阳也是有引力的,所以会用到变轨加速。

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因为地球发动机没那么大劲儿,它只能给地球很小的加速度,不能把地球一下子推出太阳轨道,在地球离开太阳前,还要绕着它转15个圈!在这15个圈中地球慢慢加速。而且速度越快,这圈就越扁,所以地球有时离太阳会很远,有时候会很近。

原著中当地球运行到近日点的时候,就会有地球要被太阳吞并的阴谋论,导致全球人心惶惶,东半球大陆上草木生烟。电影开场一家人在海边的场景,电影世界观中是地球启航之前的故事,而在原著中来源于地球运行到远日点顶端那一天,地球人如同过年一样,因为这时地球距太阳最远,人们都有一种虚幻的安全感。

原著中塑造了一个对太阳感动恐惧的氛围,开始发生的时间,主角出生在地球刚刚停止转动之际。书中表示,地球光是“自转刹车”就用了42年,然后围着太阳绕圈加速。地球刹车之后,围绕太阳的转圈,到第15个公转轨道时,最后一次通过近日点时候,主角已经结婚了,东半球将迎来两千五百年的黑夜,然后在远日点才到达了木星轨道。

引力弹弓

电影中最让人难懂的之处,地球为什么会被木星引力捕捉,这里就是引力弹弓效应。

引力弹弓就是利用行星的重力场来给太空探测船加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。

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这有点类似离心现象,以飞行器为例,飞往内行星,朝向太阳就可以获得加速度;而飞往外行星的飞行器,就算有着火箭助推器,由于是背向太阳飞行的,要抵抗太阳引力,故其速度会逐渐降低。

(这也是原著中为什么地球要绕太阳15个圈,而且“圈”越来越扁的原因,否则速度不够,根本到达了不了木星轨道)

澳门赌城官网,所以在飞行器朝着内行星飞时(如金星,水星不行,因为这行星没有大气层),是要利用该原理减速。

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而朝着外行星飞时,是要加速。飞行器第一次从远距离接近行星时,在轨道速度之下,利用火箭助推器,最终产生超越轨道速度的动能,产生的运动效果就像该飞行器被行星反弹开了。

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这一连串动作,叫做行星引力辅助变轨。通俗的来说,假如轨道行星是一个黑帮老大,跟上我的速度才能入伙,来了之后就老老实实当我的小弟,一旦你速度太快超了我,就赶紧滚,有多远滚多远……

人类历史上很多飞行器都是这样完成的,比如水手10号,它于1974年2月5日经过金星,经过引力助推减速之后到达水星,否则因为太阳引力,速度太快就直接“跑过了”。还有卡西尼号探测器,两次飞掠过金星,之后又途经地球、木星,最终才到达了土星。

《流浪地球》把飞行器换成了地球,原理不变,只是要想让地球发动机助推器产生的动能完全超越太阳引力,就必须借用木星这个大块头,把地球反弹出去。

引力弹弓就是利用行星的重力场来给太空探测船加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。

利用引力弹弓使我们能探测冥王星以内的所有行星。在航天动力学和宇宙空间动力学中,所谓的引力助推(也被称为引力弹弓效应或绕行星变轨)是利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度,以此来节省燃料、时间和计划成本。

引力助推既可用于加速飞行器,也能用于降低飞行器速度。

影片中,地球为了逃离太阳系,设定了一个飞往木星的冒险轨道,差点毁掉地球。这种冒险的原因是为了利用木星给地球加速。这种加速的方式俗称引力弹弓(gravitational
slingshot)或者叫引力助推(gravity
assist)。这样地球就获得了木星的轨道速度,再加上原有的速度,速度增加到了二者之和,地球的速度和能量都增加了,却没有消耗任何燃料。

其实不仅在“流浪地球”计划中使用这个原理使得地球加速,在2007年7月6日,旅行者1号距离太阳154.4亿公里(103.2天文单位),它在经过木星和土星时通过引力助推获得了足以完全摆脱太阳引力的动能。目前是距离地球最远的人造物体,位于太阳系和星际空间之间的边缘带。

例题:

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木星引力

木星的引力比地球强2.5倍,因为体积太大,能够牵引太阳系包括地球在内的其它行星,这意味着木星将与地球和地球轨道发生交互作用,比如地球四季就是因为木星引力的作用。感谢木星巨大的引力,使得很多小行星和彗星的轨道在木星引力的作用下发生偏转,保护地球免受撞击。

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电影中的原理,就是要利用木星的引力把地球吸过去,只要飞得足够快,并且算好角度,就会得到巨大的加速力:“我们的星球也在木星表面拉起了如山的液氢和液氦的巨浪。这时,木星巨大的引力正在把地球加速甩向外太空。”

可惜问题就出在了“没有算好”,原因还在于速度不够,没跑成功。就像月球一样,人家原本没打算成为地球的卫星,就因为被地球引力“捕捉”到了,才成为地球的卫星。但电影中的问题比较严重,因为木星引力太大,地球距离木星太近,差点超越洛希极限。

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