别光看特效！《流浪地球》里的科学奥秘你知道吗？

2019年2月5日《流浪地球》上映。这部由刘慈欣小说《流浪地球》改编的同名电影，目前票房已突破30亿元，成为名副其实的首部国产科幻大片。“流浪地球”真的可能发生吗？明知靠近木星有危险，为什么地球还要走这条路？带着种种疑问和思考，让我们一起走进《流浪地球》背后隐藏的科学奥秘。

故事背景是这样的：太阳急速老化，不断膨胀，太阳系已经不适合人类生存，于是人类为自己选了一个新的家园——比邻星（半人马座三星）。

比邻星同太阳一样，都是恒星，但质量只有太阳的八分之一

地球是个庞然大物，半径6371公里，重达59万亿亿吨。但人类造出了同样庞大的行星发动机，足以在5年左右将地球推进到逃逸速度（脱离太阳引力的最低速度）。

行星发动机示意图

但这个速度还远远不够。比邻星（半人马座三星）距离地球4.3光年，如果按照逃逸速度航行，需要7.7万年才能抵达，这实在是太漫长了！

即使行星发动机继续加速，达到光速的百分之一仍然不可行。于是人类想到了借助木星的“引力弹弓”，令地球零消耗改变方向、提升速度，最后到达比邻星。

那为什么行星发动机不能加速到百分之一光速呢？这是因为行星发动机的能量来自“重元素聚变”。

所谓重元素聚变并不是什么稀奇玩意儿。在宇宙深处有不少恒星“巨无霸”，内部就在进行着重元素聚变。

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。

航天中存在引力弹弓现象，利用它，可以令航天器零消耗低改变方向、提升速度，送达目标轨道。

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↓↓↓

图 a 引力弹弓的示意图

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↓↓↓

图 b 引力弹弓的示意图

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。

但如果变轨时离一颗巨行星太近的话，这趟“观光旅行”可就要不怎么愉快了。

当地球靠近木星时，人类突然遭遇了巨大危机：数千台行星发动机故障熄火了，全球地震，火山爆发，岩浆吞没了地下城……

图中红线部分为长城

为什么几千台发动机会同时熄火呢？为什么地震、火山都赶在这个时候来凑热闹呢？这一切灾难的根源是“洛希极限”，简单说就是地球离木星太近了，太近会发生什么呢？

洛希极限（Roche limit）是天文学中的一个特殊的距离。当两个天体的距离少于洛希极限时，它们就倾向于被“潮汐力”撕碎。

计算表明，地球和木星的距离如果低于10.3万公里，那么大气就会在潮汐力的作用下脱离地球；如果距离低于7.44万公里，那整个地球都会被撕碎。

潮汐力有多可怕，我们拿一个茶壶和茶杯举例子：

图 c 用来演示潮汐力的茶杯

我们在杯壁顶部倒一些水，让它在重力作用下向着杯底滑落。越靠近杯底，水滴会越拉越长，最后被拉扯到了撕裂的极限。这个极限就可以被认为是这个茶杯对水滴的“洛希极限”。

木星的引力场，实际上就是这样一个“茶杯”。地球尺寸很大，当它靠近木星时，离木星较近一侧受到的引力，将比较远一侧大得多，因此会像水滴一样被逐渐撕裂。

《流浪地球》电影中，地球已经到达了地木“流体洛希极限”（地木距离10.3万公里）。在此处，液体和气体不再能被地球引力束缚，而倾向于逃逸；而岩石还勉强能凭借自身的硬度坚持一会儿↓↓↓

图 d 地木流体洛希极限模拟(二维简化模型)

再靠近木星一点，地球将进入地木“刚体洛希极限”（地木距离约7.44万公里）。在此处，就连坚硬的岩石都会被引力差撕碎，地球将彻底解体↓↓↓

图 e 地木刚体洛希极限模拟(二维简化模型)

可以想象《流浪地球》中，人类面临的是怎样的绝望了。太靠近木星不行，那样会被潮汐力撕碎；太远离木星也不行，那样无法借助引力弹弓变轨……