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《流浪地球》中的10大科普知识!

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发表于 2019-2-11 10:52:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

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寒假不少家长带孩子去电影院看《流浪地球》,如果带上这些科普知识去看《流浪地球》,收获更大。
原著科普背景

《流浪地球》是一部少儿科幻。早在近二十年前,刘慈欣就完成了这部中篇科幻小说。

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:

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。

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。

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(母亲死亡)、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(父亲死亡)。

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。(主角妻子死亡)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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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。

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。

我们的太阳已有近50亿年的年龄,天文学家们估计太阳还有50到70亿年的寿命。将在12亿年后发生首次氦的融合,估计那时候人类要么死绝了,要么早跑了。

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。

电影对此进行了省略,直接营造了一个装上发动机的地球被木星捕捉的场景,至于地球之前的故事,无需多言一笔带过,做到了最大的简化,不过想想上述内容很难用电影展示。

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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(又名引领助推)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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这有点类似离心力,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)

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。

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。

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(卫星),一旦你速度太快超了我,就赶紧滚,有多远滚多远。。。

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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。

PS,本片并不是第一部用到该原理的电影,还有一部就是迈克尔·贝的《绝世天劫》,地球矿工乘坐航天飞机,就是利用月球的引力弹弓效应,绕了月球半圈,获得加速才追上了小行星(这也是全片最精彩的地方)。

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。

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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洛希极限

电影中没有解释这个名词,实则不应该,但这个词听上去很高深莫测,但其实很简单的。洛希极限是指当行星与卫星距离近到一定程度时,潮汐作用就会使天体本身解体分散。

举个例子,地球和木星的距离为洛希极限时,地球自身的重力和木星造成的潮汐力相等。如果它们的距离少于洛希极限,地球就会倾向碎散,继而成为木星的环,没错,土星的环就是这样来的。

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它以首个计算这个极限的人爱德华·洛希的名字命名。

所以,地球飞过木星的时候,不能靠的太近,太近了超过洛希极限,地球就会崩了。但是离太远的话,引力又不太够,会达不到冲出太阳系的第三宇宙速度。只能拐回来继续绕太阳,所以冒险接近木星,是地球杀出太阳系的唯一一条路。(只要我跑的够快,木星能帮我让太阳抓不到我)

原著中,离开木星时,地球已达到了逃逸速度,它不再需要返回潜藏着死亡的太阳。

可见,洛希极限就是末日的临界点,在电影中充当了电影中常见的“倒计时爆炸”功能,知道这一点足矣。

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发动机熄火+地震

地球发动机熄火是电影的原创,翻遍原著我也不记得有发动机熄火的时候(只是说了过小行星带,损失了一部分发动机:“西半球的地球发动机已被陨石击毁了三分之一”)。

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但这个原创并非信手拈来,造成地球发动机大面积停机的原因之一,是因为木星的磁场和辐射相当的强大,造成地球上所有的电子仪器在木星强大的磁场和引力下全部失灵,这是原著没有涉及到的地方。

地震原著中有解释,由于地球发动机产生的加速度及运行轨道的改变,地核中铁镍核心的平衡被扰动,其影响穿过古腾堡不连续面(是地幔与地核的分界面),波及地幔,大陆地热溢出,地震火山横行,这对于人类的地下城市是致命的威胁:“第六次变轨周期后,在各大陆的地下城中,岩浆渗入灾难频繁发生。”

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原著中,主角老妈就是这样被岩浆夺取了生命。而电影中,也是采用了原著中的设定,地球变轨加速后会导致地热溢出,那么临时减速“停车”同样会致使类似的效果,这里逻辑没有问题。

火流星

电影结尾,点燃木星大气,使地球获得巨大反冲能量,达到木星逃逸速度,这个设定也是原创,但致敬了原著。

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原著中,地球穿过小行星带,地球舰队需要反物质炸弹炸掉轨道上的小行星:“反物质炮弹不断地击中小行星,湮灭的强光此起彼伏地在漆黑的太空中闪现”。而被炸碎的小行星,会以火流星的形式落到地球。(原著中这段内容是爱情主题)

电影结点燃木星大气的冲能量,特效效果就是火流星:“们拖着长长的火尾划破长空,给人一种恐怖的美感。”这是典型的致敬,更何况,原著中主角的父亲也是在这里去世的:

“在清除地球航线上的小行星的行动中,一块被反物质炸弹炸出的小行星碎片击中了父亲的单座微型飞船。”

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逃亡分几步

人类带上地球的逃亡之旅,听上去简单,实际上就是“我们的征途是星辰大海”,电影的故事实则沧海一粟,简单而言,人类跑路,分五步:

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1、刹车时代

在亚洲和美洲部署一万两千台发动机(因为只有这两个大陆完整坚实的板块结构才能承受发动机对地球巨大的推力),使发动机喷口固定在地球运行的反方向,先利用赤道发动机反向喷射停止地球自转。

2、逃逸时代

全功率开动地球发动机,使得地球脱离轨道,在不断绕着太阳转圈运行获得加速度,直至木星轨道附近,利用木星引力,使地球加速到逃逸速度,飞出太阳系。

3、流浪时代Ⅰ(加速)

在外太空继续加速,飞向比邻星,比邻星是距离太阳最近的恒星,位于半人马座α星

4、流浪时代Ⅱ(减速)

在中途使地球重新自转,掉转发动机方向,开始减速

5、新太阳时代

地球泊入比邻星轨道,成为这颗恒星的一颗卫星。

期间,地球发动机将不间断地开动500年,到时地球将加速至光速的千分之五,然后地球将以这个速度滑行1300年,之后地球就走完了三分之二的航程,它将掉转发动机的方向,开始长达500年的减速。地球在航行2400年后到达比邻星,再过100年时间,它将泊入这颗恒星的轨道,成为它的一颗卫星。

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月球怎么办

地球跑了,月球咋办?肯定会有人问这个问题,果真是对故土有着情怀的东方人啊,地球搬家可以一起带走吗?一家人就要齐齐整整嘛!

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原著中当然给出了答案。

“夜空中出现了一个巨大的彗星,那是月球。人类带不走月球,就在月球上也安装了行星发动机,把它推离地球轨道,以免在地球加速时相撞。月球上行星发动机产生的巨大彗尾使大海笼罩在一片蓝光之中,群星看不见了。月球移动产生的引力潮汐使大海巨浪冲天,我们改乘飞机向南半球的家飞去。”




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