《流浪地球》里的硬核物理知识大揭秘

 

今年的春节档电影，当属根据刘慈欣的小说《流浪地球》改编的同名电影《流浪地球》了整部电影气势恢宏，讲述了太阳将变成红巨星，人类驱动地球逃离太阳系的故事作为科幻片，里面涉及到很多硬物理知识，大部分吃瓜群众都不太理解为什么太阳会死亡？为什么明明知道危险，还要靠近木星？。

带着种种疑问和思考，让我们一起恶补物理知识，共同走进科学的奥秘！ 为什么太阳会死亡从恒星的演化规律上来讲，太阳是会有熄火的那一天，不过是在遥远的50亿年之后简单来讲，当太阳核心中的氢燃烧殆尽，生成的氦元素在引力的作用下坍缩，释放的能量进一步升高温度，点燃核心周围的氢壳层，然后太阳迅速膨胀，成为一颗红巨星。

有理论认为，太阳演化生成的红巨星非常巨大，最远能够膨胀到地球轨道。这样，水星、金星和地球都会逐渐坠入太阳而毁灭。其实，早在太阳吞噬掉地球之前，地球上的海洋早已被膨胀的红巨星烤干，生命不复存在。

太阳从诞生到膨胀为红巨星的过程燃烧石头的核聚变发动机在电影《流浪地球》中，为了推动地球离开太阳系，人类在地球上建造了上万座高耸入云的核聚变发动机，燃烧的不是氢，也不是氦，而是石头，真佩服大刘的知识面和想象力。

大刘的烧石头不是烧成石灰石的化学过程，而是组成石头的元素的原子核发生聚变的燃烧

电影里的核聚变发动机石头的组成元素非常复杂，但主要是氧、硅、铝和钙等等这些重元素重元素聚变的质能转换效率是相当低的最乐观估计，地球要达到逃逸速度，也必须烧掉7亿亿吨的石头，相当于把全球的地面挖掉40米做为燃料；要达到光速的百分之一，则必须削去地壳的一半。

如果无法靠自己的力量推动地球，那就借助精巧的轨道计算，利用天文尺度的力量——万有引力于是人类将目光投向木星，这就是电影前半段上演的木星的引力弹弓影片中，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）引力弹弓一般发生在一对重量相差悬殊的天体之间。

这里我们用木星（红色球）和地球（蓝色球）举个例子，如图a和图b所示地球以速度V靠近木星，而木星在轨道上以速度U运行↓↓↓

足够靠近后，地球被木星引力抓住，牵引，优雅地转体半周，然后像掷铁饼那样甩出去↓↓↓

感谢木星甘当人梯的奉献精神，地球获得了木星的轨道速度U，叠加上原有的速度V，速度增加到了U+V地球的速度和能量都增加了，却没有消耗任何燃料，就奔着新家园去了引力弹弓这是一种非常成熟的航天技术，现实中有着广泛的应用。

人类第一次利用引力弹弓效应发生在1959年，当时苏联的月球3号探测器从月球南极后方飞过，借助月球的引力绕到月球背面并拍摄了人类第一幅月球背面的图像这次的引力助推不但改变了探测器的飞行轨道平面，也少许增加了速度。

1977年，NASA著名的旅行者1号和旅行者2号发射升空，各携带带有人类信息的金唱片飞往宇宙深处目前，旅行者1号和旅行者2号分别于2013年和2018年先后成为进入星际空间的人类探测器这两枚探测器就充分利用过引力弹弓效应，旅行者1号在飞掠木星和土星时，利用了这两颗大行星进行了加速，然后才达到了太阳的逃逸速度。

旅行者2号利用了木星、土星以及天王星的加速，但在接近海王星时，为了探测海王星的卫星”海卫一“，飞掠海王星的角度导致了相反的引力弹弓效应，速度下降了一些导致最终速度旅行者1号比旅行者2号要快，首先进入星际空间。

超过洛希极限会怎样？影片中，当推动地球前进的行星发动机发生故障时，地球离木星越来越近，即便后来发动机恢复运转，但仍然无济于事，地球仍然在接近木星如果地球越过木星的洛希极限距离时，木星的潮汐力就会把地球撕碎！在千钧一发时刻，人类靠点燃木星和地球氧气混合气体的方法，成功把地球推离危险轨道。

在天体力学中，洛希极限又称洛希半径，最早由法国天文学家洛希提出，因此称为洛希极限我们就拿地球接近木星作为特例简单说一下：地球的物质结合在一起的主要作用力是自身的重力，当地球靠近木星的时候，木星会对地球产生强烈的潮汐撕扯作用，当潮汐力超过地球自身物质的重力结合作用时，地球就会被撕裂。

地球刚开始被撕裂时，离木星的距离就是洛希极限

美丽的土星和光环系统土星被比喻为“太空中的指环王”土星壮观的光环就位于土星的洛希极限内，光环中的物质无法靠自身的引力聚合成较大的天体实际上，土星环可能就是由土星的一颗天然卫星越过洛希极限被撕裂形成的当然也可能是土星形成时剩余的物质。

还有一个有趣的例子，火星的卫星“火卫一”早晚会进入火星的洛希极限内，被火星撕裂，形成围绕火星的环状系统科学家估计这个时间大约只有3000万年到5000万年获得更多高中物理知识，题型解法，讲义资料，请扫码关注

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