流浪地球

倆年前，電影院看過的電影，今天又突然看了一遍。

帶上這些科普知識去看《流浪地球》，收獲更大。

（轉自：快微課）

經歷了漫長的時光后，太陽終于走到了生命的盡頭。它的光芒開始增強，它的體積開始膨脹，表面逐漸接近原本距離太陽表面1億5千萬公里的地球軌道，并將它吞沒。這恐怖的場景并非杞人憂天的妄想，也不是科幻小說為了故事情節(jié)而編造的橋段，而是根據(jù)我們所認識的物理規(guī)律和觀測到的漫天星辰所得到的嚴謹?shù)目茖W結論。

★原著科普背景

了解劉慈欣的原著背景是看懂流浪地球的第一步，原著中這樣寫：

太陽老化，科學家通過各種數(shù)據(jù)得出太陽短時間內會產生巨變，形成駭閃，地球會毀滅。面對這種情況，為了應對危機，人類內部產生兩種不同意見，地球逃生派和飛船逃生派。

地球派主張以整個地球為載體，在世界各地建造核聚變大功率發(fā)動機；飛船派主張建造城市那么大的宇宙飛船進行跑路。最終因為生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)穩(wěn)定性等原因（一個飛船的生態(tài)系統(tǒng)不足以維持數(shù)十代人的生存與延續(xù)），地球派得到大部分人的支持，全球開始建造地球發(fā)動機。

先利用赤道發(fā)動機反向噴射停止地球自轉，再開動全部發(fā)動機讓地球加速至逃逸速度脫離太陽系，開始流浪。流浪的最終目標是離太陽系最近的比鄰星系的合適軌道，這個流浪過程要經歷幾十代人。

地球剎車停轉時，地球日落了三天三夜，主角降生，在十多年后，地球開始加速圍繞著太陽繞圈，期間主角經歷了地球在近日點的全球恐慌、經歷了火山爆發(fā)導致地下城被巖漿侵蝕（母親死亡）、經歷了地球穿越小行星帶時地球艦隊用反物質炸彈轟擊小行星的場面（父親死亡）。最終地球繞日軌道進行運行至木星附近時，在木星強大的引力下的反作用，最終脫離太陽引力，地球全面加速。

多年后，地球已經逃出太陽系，然而太陽還是沒有什么異常變化。這時候很多人開始懷疑太陽駭閃毀滅地球的說法，認為這是聯(lián)合政府搞獨裁，以一個騙局來統(tǒng)治幸存的人類。這種說法得到越來越多的人相信與支持，人類開始暴亂推翻聯(lián)合政府。（主角妻子死亡）反政府組織最終推翻了聯(lián)合政府，把聯(lián)合政府的高層全部處決在遙遠的太陽余暉下。

就在此時，太陽駭閃爆發(fā)了，吞沒了整個太陽系的空間……結尾處，幸存的地球人類繼續(xù)操控著地球在宇宙中飄蕩，主角已經做了爺爺，他的后代，以及后代的后代，接下來數(shù)十代人都要繼續(xù)保持這樣的生活，直到比鄰星的光輝重新照耀地球。

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★氦閃太陽

太陽是以內部氫核聚變方式向外發(fā)光發(fā)熱的，當內部的氫元素消耗得差不多的時候，內部的高溫高壓會激發(fā)氦元素的聚變，這個時候的太陽就會發(fā)生氦閃，說白了就是太陽老了，自爆了。

原著：“太陽內部氫轉化為氦的速度突然加快，太陽的演化已向主星序外偏移，氦元素的聚變將在很短的時間內傳遍整個太陽內部，由此產生一次叫氦閃的劇烈爆炸”。

意思就是太陽加速衰老，氦閃之后，太陽將變?yōu)橐活w巨大但暗淡的紅巨星，結果爆炸之后還膨脹了，到時候體積龐大到能把地球都吞了。

事實上用不著太陽吞地球，氦閃之時地球已被汽化了。這就是《流浪地球》中給地球裝發(fā)動機的原因。

我們的太陽已有近50億年的年齡，天文學家們估計太陽還有50到70億年的壽命。將在12億年后發(fā)生首次氦的融合，估計那時候人類要么死絕了，要么早跑了。

3

★地球如何逃離太陽的毀滅

這是電影對原著設定最大的“省略”之處。

你以為裝上發(fā)動機就可以讓地球直線逃離嗎？并不是，行星這樣的“越軌”，也要符合軌道動力學，太陽也是有引力的，所以會用到變軌加速。

因為地球發(fā)動機沒那么大勁兒，它只能給地球很小的加速度，不能把地球一下子推出太陽軌道，在地球離開太陽前，還要繞著它轉15個圈！在這15個圈中地球慢慢加速。而且速度越快，這圈就越扁，所以地球有時離太陽會很遠，有時候會很近。

原著中當?shù)厍蜻\行到近日點的時候，就會有地球要被太陽吞并的陰謀論，導致全球人心惶惶，東半球大陸上草木生煙。電影開場一家人在海邊的場景，電影世界觀中是地球啟航之前的故事，而在原著中來源于地球運行到遠日點頂端那一天，地球人如同過年一樣，因為這時地球距太陽最遠，人們都有一種虛幻的安全感。

原著中塑造了一個對太陽感動恐懼的氛圍，開始發(fā)生的時間，主角出生在地球剛剛停止轉動之際。書中表示，地球光是“自轉剎車”就用了42年，然后圍著太陽繞圈加速。地球剎車之后，圍繞太陽的轉圈，到第15個公轉軌道時，最后一次通過近日點時候，主角已經結婚了，東半球將迎來兩千五百年的黑夜，然后在遠日點才到達了木星軌道。

電影對此進行了省略，直接營造了一個裝上發(fā)動機的地球被木星捕捉的場景，至于地球之前的故事，無需多言一筆帶過，做到了最大的簡化，不過想想上述內容很難用電影展示。

4

★引力彈弓

電影中最讓人難懂的之處，地球為什么會被木星引力捕捉，這里就是引力彈弓效應。

引力彈弓（又名引領助推）就是利用行星的重力場來給太空探測船加速，將它甩向下一個目標，也就是把行星當作“引力助推器”。

這有點類似離心力，以飛行器為例，飛往內行星，朝向太陽就可以獲得加速度；而飛往外行星的飛行器，就算有著火箭助推器，由于是背向太陽飛行的，要抵抗太陽引力，故其速度會逐漸降低。

（這也是原著中為什么地球要繞太陽15個圈，而且“圈”越來越扁的原因，否則速度不夠，根本到達了不了木星軌道）

所以在飛行器朝著內行星飛時（如金星，水星不行，因為這行星沒有大氣層），是要利用該原理減速。

而朝著外行星飛時，是要加速。飛行器第一次從遠距離接近行星時，在軌道速度之下，利用火箭助推器，最終產生超越軌道速度的動能，產生的運動效果就像該飛行器被行星反彈開了。

這一連串動作，叫做行星引力輔助變軌。通俗的來說，假如軌道行星是一個黑幫老大，跟上我的速度才能入伙，來了之后就老老實實當我的小弟（衛(wèi)星），一旦你速度太快超了我，就趕緊滾，有多遠滾多遠。。。

人類歷史上很多飛行器都是這樣完成的，比如水手10號，它于1974年2月5日經過金星，經過引力助推減速之后到達水星，否則因為太陽引力，速度太快就直接“跑過了”。還有卡西尼號探測器，兩次飛掠過金星，之后又途經地球、木星，最終才到達了土星。

《流浪地球》把飛行器換成了地球，原理不變，只是要想讓地球發(fā)動機助推器產生的動能完全超越太陽引力，就必須借用木星這個大塊頭，把地球反彈出去。

PS，本片并不是第一部用到該原理的電影，還有一部就是邁克爾·貝的《絕世天劫》，地球礦工乘坐航天飛機，就是利用月球的引力彈弓效應，繞了月球半圈，獲得加速才追上了小行星（這也是全片最精彩的地方）。

5

★木星引力

木星的引力比地球強2.5倍，因為體積太大，能夠牽引太陽系包括地球在內的其它行星，這意味著木星將與地球和地球軌道發(fā)生交互作用，比如地球四季就是因為木星引力的作用。感謝木星巨大的引力，使得很多小行星和彗星的軌道在木星引力的作用下發(fā)生偏轉，保護地球免受撞擊。

電影中的原理，就是要利用木星的引力把地球吸過去，只要飛得足夠快，并且算好角度，就會得到巨大的加速力：“我們的星球也在木星表面拉起了如山的液氫和液氦的巨浪。這時，木星巨大的引力正在把地球加速甩向外太空?！?/p>

可惜問題就出在了“沒有算好”，原因還在于速度不夠，沒跑成功。就像月球一樣，人家原本沒打算成為地球的衛(wèi)星，就因為被地球引力“捕捉”到了，才成為地球的衛(wèi)星。但電影中的問題比較嚴重，因為木星引力太大，地球距離木星太近，差點超越洛希極限。

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★洛希極限

電影中沒有解釋這個名詞，實則不應該，但這個詞聽上去很高深莫測，但其實很簡單的。洛希極限是指當行星與衛(wèi)星距離近到一定程度時，潮汐作用就會使天體本身解體分散。

舉個例子，地球和木星的距離為洛希極限時，地球自身的重力和木星造成的潮汐力相等。如果它們的距離少于洛希極限，地球就會傾向碎散，繼而成為木星的環(huán)，沒錯，土星的環(huán)就是這樣來的。

它以首個計算這個極限的人愛德華·洛希的名字命名。

所以，地球飛過木星的時候，不能靠的太近，太近了超過洛希極限，地球就會崩了。但是離太遠的話，引力又不太夠，會達不到沖出太陽系的第三宇宙速度。只能拐回來繼續(xù)繞太陽，所以冒險接近木星，是地球殺出太陽系的唯一一條路。（只要我跑的夠快，木星能幫我讓太陽抓不到我）

原著中，離開木星時，地球已達到了逃逸速度，它不再需要返回潛藏著死亡的太陽。

可見，洛希極限就是末日的臨界點，在電影中充當了電影中常見的“倒計時爆炸”功能，知道這一點足矣。

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★發(fā)動機熄火+地震

地球發(fā)動機熄火是電影的原創(chuàng)，翻遍原著我也不記得有發(fā)動機熄火的時候（只是說了過小行星帶，損失了一部分發(fā)動機：“西半球的地球發(fā)動機已被隕石擊毀了三分之一”）。

但這個原創(chuàng)并非信手拈來，造成地球發(fā)動機大面積停機的原因之一，是因為木星的磁場和輻射相當?shù)膹姶?，造成地球上所有的電子儀器在木星強大的磁場和引力下全部失靈，這是原著沒有涉及到的地方。

地震原著中有解釋，由于地球發(fā)動機產生的加速度及運行軌道的改變，地核中鐵鎳核心的平衡被擾動，其影響穿過古騰堡不連續(xù)面（是地幔與地核的分界面），波及地幔，大陸地熱溢出，地震火山橫行，這對于人類的地下城市是致命的威脅：“第六次變軌周期后，在各大陸的地下城中，巖漿滲入災難頻繁發(fā)生?！?/p>

原著中，主角老媽就是這樣被巖漿奪取了生命。而電影中，也是采用了原著中的設定，地球變軌加速后會導致地熱溢出，那么臨時減速“停車”同樣會致使類似的效果，這里邏輯沒有問題。

8

★火流星

電影結尾，點燃木星大氣，使地球獲得巨大反沖能量，達到木星逃逸速度，這個設定也是原創(chuàng)，但致敬了原著。

原著中，地球穿過小行星帶，地球艦隊需要反物質炸彈炸掉軌道上的小行星：“反物質炮彈不斷地擊中小行星，湮滅的強光此起彼伏地在漆黑的太空中閃現(xiàn)”。而被炸碎的小行星，會以火流星的形式落到地球。（原著中這段內容是愛情主題）

電影結點燃木星大氣的沖能量，特效效果就是火流星：“們拖著長長的火尾劃破長空，給人一種恐怖的美感?！边@是典型的致敬，更何況，原著中主角的父親也是在這里去世的：

“在清除地球航線上的小行星的行動中，一塊被反物質炸彈炸出的小行星碎片擊中了父親的單座微型飛船?！?/p>

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★逃亡分幾步

人類帶上地球的逃亡之旅，聽上去簡單，實際上就是“我們的征途是星辰大?！保娪暗墓适聦崉t滄海一粟，簡單而言，人類跑路，分五步：

1、剎車時代

在亞洲和美洲部署一萬兩千臺發(fā)動機（因為只有這兩個大陸完整堅實的板塊結構才能承受發(fā)動機對地球巨大的推力），使發(fā)動機噴口固定在地球運行的反方向，先利用赤道發(fā)動機反向噴射停止地球自轉。

2、逃逸時代

全功率開動地球發(fā)動機，使得地球脫離軌道，在不斷繞著太陽轉圈運行獲得加速度，直至木星軌道附近，利用木星引力，使地球加速到逃逸速度，飛出太陽系。

3、流浪時代Ⅰ(加速)

在外太空繼續(xù)加速，飛向比鄰星，比鄰星是距離太陽最近的恒星，位于半人馬座α星

4、流浪時代Ⅱ(減速)

在中途使地球重新自轉，掉轉發(fā)動機方向，開始減速

5、新太陽時代

地球泊入比鄰星軌道，成為這顆恒星的一顆衛(wèi)星。

期間，地球發(fā)動機將不間斷地開動500年，到時地球將加速至光速的千分之五，然后地球將以這個速度滑行1300年，之后地球就走完了三分之二的航程，它將掉轉發(fā)動機的方向，開始長達500年的減速。地球在航行2400年后到達比鄰星，再過100年時間，它將泊入這顆恒星的軌道，成為它的一顆衛(wèi)星。

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★月球怎么辦