流浪地球中的硬科学流浪地球中的硬科学近未来，科学家们发现太阳急速衰老膨胀，短时间内包括地球在内的整个太阳系都将被太阳所吞没。为了自救，人类提出一个名为“流浪地球”的大胆计划，即倾全球之力在地球表面建造上万座发动机和转向发动机，推动地球离开太阳系，用2500年的时间奔往另外一个栖息之地-比邻星。今天我们结合电影和原著小说，聊聊流浪地球中的几大硬科学。流浪地球简介目前的天文学知识告诉我们，像太阳这样的行星会从核心开始以一层一层的球壳将氢融合成氦。这个过程会使恒星的大小逐渐增加，通过次巨星的阶段，直到达到红巨星的状态。最后其核心会塌陷成为致密白矮星。处于红巨星时代的太阳会失去稳定调节机制，能量产出不断增加，并且体积开始膨胀，变得更红。在这种演化的末期，红巨星中心积累了足够高的温度，最终会使得氦构成的核心开始聚变，失控的氦核心燃烧会在数秒的短暂时间内释放出巨大的能量，这被称作“氦闪”。太阳氦闪太阳目前已有近50亿岁，是处于最稳定的“中年期”。天文学家们估计太阳还有50到70亿年的寿命。估计约12亿年后发生首次氦的融合。而在小说中这个过程被加速了，太阳的红巨星期将在大约400年后到来。这就是人类要逃离太阳系的目的了，因为随着太阳的膨胀。它慢慢会将相邻的金星，水星和地球吞没。留给人类的时间只有大约400年。我们看到图片的正中央有一个醒目的蓝色光点，这就是氦闪的瞬间爆发出的闪耀光芒而在正常的状态下，这颗发生氦闪的恒星，在图片中是完全分辨不出来的。氦闪爆发瞬间内核的温度甚至能够上升到1亿K以上，释放出的能量也是非常恐怖的，几乎相当于恒星寿命当中接近1/5左右的能量。 电影中描述为一万座行星发动机，总推力最多会达到150万亿吨。由于地球的质量为6亿亿亿千克，根据牛顿第二运动定律（F=ma）可以计算出，行星发动机能够给地球产生的加速度大约为2.510-7米/平方秒。虽然这个加速度很小，但给予足够的时间，其实是可以推动地球前进。原著对行星发动机的解释：“用岩石中的硅元素进行核聚变反应，获得高能高压的等离子流。”所以可以将这种发动机理解为一套巨型的核聚变离子脉冲推进系统。而这种发动机是真实存在的，而且和电影中一样，也会喷出淡蓝色的光焰。行星发动机离子发动机的工作原理是先将推进剂进行电离，再利用电场将离子加速喷出形成推力。以 NASA 多年前开发的EvolutionaryXenonThruster（NEXT）离子推进器为例，它使用氙作为推进剂，氙原子核和电子首先在电场的作用下分离，得到游离态的氙离子。之后，氙离子进入了推进器尾端的两片栅格构成的静电场中，被加速后高速喷出，形成推力。虽然目前的离子推进器从推力上看只有几十毫牛，也就能吹起一张纸而已，更别提脱离地球引力，但在诸如深空探索、星际旅行等真空状态下，经过长时间累积加速后，还是可以完成高速飞行及飞行器变轨等任务，目前已有很多的卫星及探测器搭载了不同种类的离子推进器。离子发动机NASA的NEXT离子推进器引力弹弓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”。木星是太阳系中除了太阳之外最大的天体。其引力大约比地球强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。比如地球上的四季就是木星的引力作用。木星大哥还保护了地球小弟不受众多小行星和彗星的撞击，人类才得以在地球表面上演化出来。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。引力弹弓可惜问题在于人类“没有算好”。主要原因还是在于速度不够，结果地球被木星的强大引力捕获了。就像月球一样，被地球活生生的“抢过来”成了一颗卫星。而在电影中的问题就更严重一些，因为木星引力太大，地球距离木星太近，差点超越洛希极限。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洛 希 极 限 （ Rochelimit）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。洛希极限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。在影片的高潮阶段，地球落向木星。主人公突然想到：木星大气石油氢气组成，而地球大气中包含20%的氧气。于是救援队点燃了木星和地球大气的混合气体，产生巨大的冲击波将地球推离木星。这个桥段是经不住推敲的，氢氧混合燃烧其本质仍然是化学燃烧。如果说氧聚变可以将氧的质量的万分之三转化为能量。那么氢氧混合燃烧过程中，能量转化只有百亿分之一。这也就意味着将地球上所有的氧气和氢气混合燃烧所获得的能量也不足以改变地球的运行。更何况这样的爆炸的冲击波的方向性是很难把握的。点燃木星谢谢聆听