《流浪地球》火了！電影中的這些科學奧秘，我們可以這樣講給孩子！ | 教育光影
今年的春節賀歲檔，出現了一匹黑馬，就是被稱為中國科幻電影新紀元的《流浪地球》。
這部由劉慈欣小說《流浪地球》改編的同名電影，歷時4年與觀眾見面。
為了打造這部科幻電影，劇組做了大量的功課，整部電影對太空、航天、機械等有著豐富的表現。
很多人看完電影后表示，不相信這是中國拍的。很多人看完後依然意猶未盡。
《流浪地球》講述了這樣一個故事
《流浪地球》講了一個腦洞十分大的故事。
未來的某一天，人們發現太陽在急速老化，快要炸了，人類唯一生存的辦法就是逃離太陽系。
但是，
最近的適合居住的星系是4.2光年外的比鄰星。
於是，大家想出一辦法，把地球上安裝上上萬個發動機。
把地球推走。
這就是
行星發動機
。
人類建造了1萬個行星發動機，遍布世界各地。
這樣就能把地球推離太陽系。
但是把地球搬家的步驟也很繁瑣，總體需要這樣五個步驟：
第一步，用地球發動機使地球停止轉動，使發動機噴口固定在地球運行的反方向；
第二步，全功率開動地球發動機，使地球加速到逃逸速度，飛出太陽系；
第三步，在外太空繼續加速，飛向比鄰星；
第四步，在中途使地球重新自轉，調轉發動機方向，開始減速；
第五步，地球泊入比鄰星軌道，成為這顆恆星的衛星。
當這一萬個行星發動機全部啟動，地球就是如此壯觀的景象：
但是人類為了這個計劃，也付出了巨大的代價。
讓地球剎車，並推動地球前進，讓板塊變動，引發了滔天海嘯和地震；地球人口減半，只剩35億人口……城市陷入冰封。
倖存的35億人，被迫遷入地下城，因為地面已經低溫將至零下84度了。
就在這種時刻，人類為了生存，艱難前行。
在這時，在地球還沒有飛出太陽系的時候，飛近了木星的時候，被木星引力吸引，地球逐漸接近木星並最後要撞擊木星的危險時刻。
在這危機關頭，人們為了脫離危險，上演了一段段潸然淚下的求生故事。
老師家長，你有帶著孩子看這部電影嗎？在看電影時，當孩子提出了自己的不解之處，你該如何給孩子答覆的呢？
其實，在這部電影中，涉及的科學知識非常多，設定詳實，且高度融入了劇情。
電影講述的故事中，明
知靠近木星有危險，為什麼地球還要走
這條路？為什麼接近了木星地球就會被「撕裂」？
帶著種種疑問和思考，讓我們一起了解這些電影情節里的科學解讀和科學背景，探尋這個電影故事中的科學奧秘！
01
為什麼要去木星？
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，半徑6371公里，重達59萬億億噸。但人類造出了同樣龐大的行星發動機，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）。
行星發動機示意圖
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，這實在是太漫長了！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。於是人類想到了藉助木星的「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。
那為什麼行星發動機不能加速到百分之一光速呢？這是因為行星發動機的能量來自「重元素聚變」。
02
重元素聚變有什麼限制？
所謂重元素聚變並不是什麼稀奇玩意兒。在宇宙深處有不少恆星「巨無霸」，內部就在進行著重元素聚變。
重元素聚變的質能轉換效率是相當低的。
最樂觀估計，地球要達到逃逸速度，也必須燒掉7億億噸的石頭，相當於把全球的地面挖掉40米做為燃料；要達到光速的百分之一，則必須削去地殼的一半。
如果無法靠自己的力量推動地球，那就藉助精巧的軌道計算，利用天文尺度的力量——萬有引力。於是人類將目光投向木星，這就是電影前半段上演的。
03
木星的引力彈弓是怎麼回事？
航天中存在引力彈弓現象，利用它，可以令航天器零消耗低改變方向、提升速度，送達目標軌道。
引力彈弓一般發生在一對重量相差懸殊的天體之間。這裡我們用木星（紅色球）和地球（藍色球）舉個例子，如圖a和圖b所示。
地球以速度V靠近木星，而木星在軌道上以速度U運行↓↓↓
圖 a 引力彈弓的示意圖
足夠靠近後，地球被木星引力抓住，牽引，優雅地轉體半周，然後像擲鐵餅那樣甩出去↓↓↓
圖 b 引力彈弓的示意圖
感謝木星甘當人梯的奉獻精神，地球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。地球的速度和能量都增加了，卻沒有消耗任何燃料，就奔著新家園去了。
但如果變軌時離一顆巨行星太近的話，這趟「觀光旅行」可就要不怎麼愉快了。
04
靠近木星時，行星發動機大批熄火
當地球靠近木星時，人類突然遭遇了巨大危機：
數千台行星發動機故障熄火了，全球地震，火山爆發，岩漿吞沒了地下城……
圖中紅線部分為長城
為什麼幾千台發動機會同時熄火呢？為什麼地震、火山都趕在這個時候來湊熱鬧呢？這一切災難的根源是「洛希極限」，
簡單說就是地球離木星太近了，
太近會發生什麼呢？
05
超過洛希極限會發生什麼呢？
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10.3萬公里，那麼大氣就會在潮汐力的作用下脫離地球；如果距離低於7.44萬公里，那整個地球都會被撕碎。
潮汐力有多可怕，我們拿一個茶壺和茶杯舉例子：
圖 c 用來演示潮汐力的茶杯
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。
《流浪地球》電影中，地球已經到達了地木「流體洛希極限」（地木距離10.3萬公里）。
在此處，液體和氣體不再能被地球引力束縛，而傾向於逃逸；而岩石還勉強能憑藉自身的硬度堅持一會兒↓↓↓
圖 d 地木流體洛希極限模擬(二維簡化模型)
再靠近木星一點，地球將進入地木「剛體洛希極限」（地木距離約7.44萬公里）。
在此處，就連堅硬的岩石都會被引力差撕碎，地球將徹底解體↓↓↓
圖 e 地木剛體洛希極限模擬(二維簡化模型)
可以想像《流浪地球》中，人類面臨的是怎樣的絕望了。太靠近木星不行，那樣會被潮汐力撕碎；太遠離木星也不行，那樣無法藉助引力彈弓變軌……
儘管《流浪地球》中仍有一些不足之處，但它作為一部迎難而上的、在工業水平上實現大步飛躍的國產科幻片，還是相當不容易。
最近這兩天，有各種各樣不同的聲音出現，有的人去讚揚它，有的人挑它邏輯上的bug。
但其實，做到這一點，《流浪地球》就已經贏了。
爭論，說明在意，說明無法忽視；無言，才是徹底的灰心和放棄。
電影里的煽情雖有爭議，但《流浪地球》的燃卻是真的。
它時隔多年，重新喚起了我們對科幻的熱情。
一部好的科幻電影，能開啟孩子們的想像力與求知慾。
或許在
未來，
我
們不僅能帶著孩子在電影院看屬於我們自己的、更出色的科幻電影。
還能有更多孩子，因為優秀的科幻影視作品，心中種下了科學的種子，愛上了科學的世界。
文章綜合整理自微信公眾號科普中國、人民日報、Sir電影、蜂窩兒童未來等
科普專家 | 木辛君，清華大學航天航空學院工程力學系在讀博士，中國科幻銀河獎/星雲獎獲獎作者
科普知識審核 | 劉慈欣，高級工程師，科幻作家，中國作協會員，小說《流浪地球》作者、電影監製
本文編輯 | 郭可暢
責任編輯 | 郭可暢
更多精彩資訊，請點擊閱讀原文，下載中教之聲APP吧
※這份教師「長壽指南」，請收好！今年再忙也要好好愛自己！| 新春精選
TAG:中國教育報 |