《流浪地球》中的科學

王元卓

影片《流浪地球》一改往日災難片中人類乘坐宇宙飛船逃離地球的情節，而是讓人類帶著地球逃離災難，展現了中國人的家園故土情懷，突出了中國人強調的“愚公移山”精神和“人定勝天”的理念，打開了一個新的科幻維度空間。

《流浪地球》展現了富有科學依據的災難背景、符合科學原理的避難措施，描繪了一個全新的地下避難救災的宏大場景。

01《流浪地球》中的科學

太陽的演變

人類實“流浪地球”計劃，是因為太陽急速衰老膨脹，即將把包括地球在內的整個太陽系脫沒。那么，太陽糾竟發生了什么？如果真按“流浪地球”計劃那樣讓地球停止自轉，又會發生什么事情呢？

對流層：厚約15萬千米，輻射層傳來的能量在這里以對流的形式傳出去。

日核：占太陽半徑的1/4，質量達到太陽質量的一半。溫度達1500萬℃，隨時都在進行著4個氫核聚變成1個氦核的核聚變反應。

輻射層：從日核到0.71個太陽半徑的區域。日核聚變產生的能量在這里以電磁波的形式傳向太陽外層。

太陽演變為紅巨星，地球的命運將怎樣？

由于潮汐力的存在，目前地球正在以15厘米/年的速度遠離太陽。

地球自轉：地球繞自轉軸自西向東轉動，從北極點上看呈逆時針旋轉。地球自轉軸與黃道面成66.5°的夾角，與赤道面垂直。地球自轉一周用時23小時56分4秒。

轉逮變化：一方面風的季節性變化導致地球的自轉在春天轉得慢，在秋天轉得快。另一方面潮汐作用導致地球的自轉越轉越慢。據推算，2億年后，一年僅有300天，一天會有30小時。

想讓地球停止轉動需要多大力氣？

電影中，每臺行星發動機通過重核聚變能夠產生150萬億噸的推力，產生的加速度是0.000 000 025米/秒，在赤道附近的轉動速度大約就是460米/秒。對于一臺行星發動機而言，需要218569天（大約600年）的時間才能夠讓地球停止轉動。

地球不轉了會發生什么？

每個白天和黑夜將持續半年，甚至會因為被太陽引力鎖定，所以一個半球永遠是白天，另一個半球永遠是黑夜。

大氣層會繼續運動，產生強烈颶風。引力導致海水上漲，帶來巨大潮汐。

02《流浪地球》中酌科學

銀河系和比鄰星

人類的計劃是，用上萬臺行星發動推動地球遠離太陽，前往想對安全的比鄰星系。那么，比鄰星系在哪里，地球需要飛多久才能到達那里呢？

宇宙測量

在可觀測的宇宙中，星系的總數可能超過1000億個，最古老的星系距今約135.5億年。已知最大的星系距地球大約10.7億光年，直徑約560萬光年，相當于銀河系直徑的50多倍。

銀河系

銀河系中包括1200億顆恒星和大量的星團、星云，還有星際氣體和塵埃。太陽系就位于銀河系中。銀河系直徑約10萬光年，總質量約為太陽質量的8000億～].5萬億倍。

銀河系中間厚、邊緣薄，呈扁平狀。通常我們看到的銀河其實只是銀河系的一部分，位于天鷹座和天赤道相交處。在北半天球，它經過天鵝等星座，跨入天赤道，再往南經過南十字星、天蝎座、人馬座等。

銀河系是巨大的棒旋星系，其內的恒星、氣體和塵埃等分布成旋渦狀，這種旋渦被稱為旋臂。太陽系位于獵戶座旋臂、人馬座旋臂和英仙座旋臂之間。

柯伊伯帶：它是一個由眾多冰質小天體組成的環。這些天體由冰、巖石和塵埃組成。

奧爾特星云：50億年前形成的奧爾特星云，包圍著太陽系，星云內布滿了不活躍的彗星，距太陽約5萬～10萬個天文單位，差不多等于1光年，約等于太陽與比鄰星距離的1/4。

目前，人類能《實王見的最快空間飛行速度為26.4萬千米/時。從地球抵達比鄰星的總飛行時間約].7萬年?！读骼艘睬颉分性O定速度最快時可達光速的5‰。從地球抵達比鄰星的總飛行時間約2500年。

比鄰星VS太陽

階段：紅矮星

亮度：徹星等*ll等

直徑：約為太陽直徑的1/7

質量：約為太陽質量的l/B

年齡：48.5億歲

溫度：表面約2800℃

階段：主序星

亮度：視星等一26.74等

直徑：14口萬千米

質量：2×1030千克

年齡：46億歲

溫度：表面約5700℃

03《流浪地球》中的科學

“流浪地球”

計劃的可行性

在電影中，人類讓地球靠近危險的木星，這樣做的目的究竟是什么呢？還沒有出太陽系，地球就差點被木星吞噬，“流浪地球”計劃真的可行嗎？為什么選擇帶著地球流浪？

距離太陽系最近的比鄰星沒有行星（不過，最新的天文研究成果顯示，比鄰星的行星已被發現）;最近的有行星的恒星系在850光年外;人類目前還不具備建造大型、穩定的生態系統的技術。

“流浪地球”計劃

階段1：剎車階段

行星發動機使地球停止自轉。

階段2：逃邕階段

全功率開動行星發動機，加速駛出太陽系。

階段3：先流浪階段

利用太陽和木星完成加速，駛向比鄰星。

如何利用木星加速？

利用行星的引力改變飛行軌道和速度，即引力彈弓效應（引力助推）。木星公轉速度約為13千米/秒。當地球通過木星后，即使不計算地球發動機帶給地球的額外速度疊加，地球獲得的速度也將至少達到55.8千米/秒，足以完成逃離太陽系的任務。

為什么會墜落木星，地球解體？

當兩個天體的質量和引力場強度存在差異并且距離足夠近時，質量較小、引力場強度較弱的天體就會被另一個更大天體的潮汐力拉扯解體。該定義極限距離就是洛希極限。地球與木星的剛體洛希極限約為6.27萬千米。在電影中，地球大氣與木星大氣的距離大于洛希極限，所以木星的引力并不會把地球撕碎。點燃木星可行嗎？

木星是一顆氣態行星，大氣中氫含量高達90%。從地球抽取的大量氧氣和木星的大氣中的大量氫氣混合，具備了燃燒的條件。爆炸所需的氫氣的濃度為4%-70%，但過低的氧氣含量仍然無法點燃木星。

階段4：后流浪階段

利用500年時間將地球加速到光速的5‰，然后滑行1300年，再調轉發動機，利用700年進行減速。

階段5：新太陽時代

地球泊入比鄰星軌道，成為比鄰星的行星。地球流浪為什么沒帶月球？

地月之間的引力無法讓地球以一個相對靜止的狀態向前前進。逃逸過程中，如果月球還在跟隨地球，那么月球就必須保持同速，否則行星發動機的工作量就要加大（必須把助推月球考慮進去）。兩者的速度如果有差異，就會出現月球和地球相撞的可能。

04《流浪地球》中的科學

地下城的

生活和危險

為了應對宇宙空間的惡劣環境，人類被迫在“流浪地球”計劃實施過程中躲進地下城中。那么，在地下城里，人類該如何生存呢？

地下城的居住條件

溫度：向下每千米地溫增加25～30℃，地殼以下5千米，地溫是125～150℃。估計修建地下城最需要的是制冷設備吧。

通風：對于室內長期低濃度的污染，人們沒有抵御手段，被動吸入大量污染物會損害健康。通過技術平衡空氣中氧氣、二氧化碳、懸浮顆粒等成分，是地下生活的重要健康保障。

水循環：可以將給水、排水系統組成一個閉路循環的用水系統。將產生的廢水處理后重復使用，可不補充或僅少量補充新鮮水，不排放或少排放廢水。

光合作用：綠色植物利用太陽的光能，吸收二氧化碳和水，制造有機物質并釋放氧氣。光合作用的產物主要是碳水化合物，并釋放出能量。

任地下城里是否有四季？

四季的形成：地球自轉軸與地球繞太陽公轉面之間有一個夾角（23.5°）。當地球繞太陽公轉時，太陽直射地球的位置在南回歸線到北回歸線之間移動。當太陽直射點位于北半球時，北半球獲得的熱量高，處于夏半年;反之，當太陽直射點位于南半球時，北半球獲得的熱量低，處于冬半年。

當地球停止自轉并且脫離太陽系時，想要看到四季景色只能通過模擬來實現了。

在地城里是否有危險？

巖漿：巖漿產生于上地幔和地殼深處，主要成分為硅酸鹽和含揮發成分的高溫黏稠熔融物質。據測定，巖漿的溫度一般在900～1200℃，最高可達1400℃。

地震：在地表以下5千米的地方，絕大部分都是堅硬的巖石。在這里修建地下城，地震發生時的地震傾覆力矩相對于地面的建筑物要小得多，因此，從建筑的結構抗震性能來講，地下城更抗震。

活動斷層：同時，要考慮是否有活動斷層穿過?；顒訑鄬硬粌H與地震的發生關系密切，而且斷裂活動對于地下結構及建筑物的安全會產生致命的破壞。

摘自《科幻電影中的科學：科學家奶爸的宇宙手繪》，科學普及出版社