需费用多少物质,流浪地球

作者: 必德电竞  发布:2019-05-22

从物理学角度解释《流浪地球》中地球为什么要去撞木星

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科幻电影来源于想象加上一定的科学常识和推理。好的科幻一般需要在科学事实和幻想中找到一个好的平衡点。如果严重脱离科学基本规律,那就是魔幻小说了。如果只是冰冷的科学事实,没有艺术的想象和加工,变成记录片,也会索然无味。

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《流浪地球》剧照。

我个人的感受是一般读者能够接受1-2个大的突破科学常识的假设和幻想。如果违背科学基本原理的场面实在太多了,特别是在毫无必要的地方违反基本常识,就是烂片一部。 《流浪地球》拍摄场面宏伟,可是实在不敢恭维科学顾问的水平。为了拼凑剧情和突出推力发动机的视觉效果,突破生活常识和科学常识的地方实在太多了。恐怕还会让中小学生接受错误的物理知识。让人不吐不快。

前一阶段很火的中国科幻电影《流浪地球》收到不同的评价,其中有很多批评是针对其科学性的。诸如地球并不是一个坚固的实体,很难被推着走而保持不变形。又比如地球上的能源根本不够产生推力的,等等。要是去看电影,那不科学的地方太多了,都快数不过来了。不过,嗨,科幻嘛,用得着那么认真嘛。刘慈欣能想到给地球装本身上发动机一起去流浪,我们谁能这么脑洞大开,主要是引起大众的兴趣。

春节档,电影《流浪地球》大热。不少观众在看完电影后依然觉得摸不着头脑,到底什么是“引力弹弓”?“重聚变发动机”又是怎样工作的?南京航空航天大学理学院副教授李晋斌应邀为扬子晚报做了专门解读。 扬子晚报/扬眼记者 杨甜子

首先是地球必须要脱离太阳系的假设。 记得原著里是预测太阳要发生氦闪,地球要被吞没。 氦闪当然是作者编出来的。但是这个假设读者一般可以接受。这个比电影里莫名其妙的一句"太阳在膨胀"要显得靠谱多了。 就像很多科幻小说假设拥有一个时光机,一个大脑阅读器,通过黑洞穿越未来一样。大家可以接受这样的一个假设。但是接受不了因为粗心大意,或者没动脑子,或者对毫无必要地对基本物理常识的违背。

有那么多不科学的地方,来讲讲的确是科学的地方。为什么要去招惹木星呢?靠得太近,躲都躲不开,还差一点撞上。要知道,木星的体积是地球的1300倍,质量是地球的300倍。这么一个庞然大物,地球和它相比真是不够瞧的。

关于引力弹弓

就像武侠小说里面的武功,人人都知道是假的,但是不耽误大家欣赏剧情。可是要是金庸写的降龙十八掌一巴掌把对手打到月亮上,估计这样的武侠小说谁也不要看了。科幻小说也一样,有读者可以接受的艺术夸张的限度, 特别是所谓的“硬”科幻小说。

并不是地球上发动机技术不佳,没对准方向。也不是电影为了突出英雄人物,没事找事弄出一点灾难来。而是不得已而为之。地球发动机在渺小的人类看来巨大无比,要推动整个地球来逃离太阳的魔爪实在是太自不量力了。不得已只能借助于木星这个庞然大物来帮忙。

“引力弹弓”是飞行器加速常用的方法

再说一些细小的吐槽点。

事情要从牛顿摆讲起。两个相同质量的弹性钢球沿球心相撞的话,它们会互换速度:

《流浪地球》电影中,地球逃逸太阳引力的重要段落里,“引力弹弓”扮演了举足轻重的“角色”。李晋斌介绍,地球这个庞然大物,半径6371公里。但剧中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太阳引力的最低速度,即16.7公里/秒。这个速度相当于复兴号列车速度的200倍。即便是如此高的速度,相对于星际距离来说还远远不够,目的地比邻星距离地球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!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。

1)电影里无数的雪景。 地球已经是零下80度了。被推到接近木星的位置, 地球所有的江河湖海早就都被冻住了,大气中哪里来的水份, 怎么可能还会下大雪?冰在零下80度升华的速度是那样的缓慢,不可能形成大雪。

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李晋斌告诉扬子晚报记者,“引力弹弓”是一种飞行器加速常用的方法,我们向地球以外的天体发射飞行器时,常会应用到其他行星或天体做“引力弹弓”,以此来节省燃料、时间和计划成本。比较经典的可能是美国的“卡西尼”号探测器了,它于1997年10月15日从地球发射前往目的地——土星,但只带了很少的燃料。它在1998年4月26日利用了金星的弹射,在1999年7月24日利用了金星的第二次弹射,又于1999年8月18日利用了地球的弹射,后于2000年12月30日利用了木星的弹射,最终于2004年7月1日抵达土星。

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这是物理里面会考到的概念。物理里面也会考到两个不同质量的球体在碰撞以后的速度变化。但是这种测试一般很简单,给出的条件也很多,也不会让学生总结各种不同碰撞的关系。

电影里的“引力弹弓”场景很可能实现不了

2)再说人工地下城和离子发动机。 地球这么大,好好的地下城你在摇摇欲坠,轰鸣不断的发动机在下面干什么?违背常识。

更复杂的是,需要理解掌握各种不同碰撞情况的区别。比如,如下图中一个蓝色小球撞击一个很大的有相向运动的橙色大球,大球是会在继续沿着原来的方向跑的,只是慢一点。但是小球就会被“弹开”,获得比原来更大的速度。这就是和“流浪地球”里类似的情况,地球就是一个小球,木星就是那个大球。地球需要木星的帮助才能得到更大的速度。

“比如一只乒乓球,当它飞向一面静止的球拍时,在忽略重力、空气阻力、摩擦等因素的情况下,反弹速度是相同的。但如果这个球拍向着来球方向移动,那这个球与拍相撞后反弹速度就会变快,这就是‘引力弹弓’效应。”李晋斌说,其实“引力弹弓”也是科幻电影经典桥段之一。例如《星际穿越》中,库珀为使“巡逻者”号飞船到达米勒星球,这就需要降速c/3,他采用的方案是利用一颗中子星进行引力弹弓减速。

3) 电影快结束的时候,一瓶伏特加砸在监控摄像头上,然后就能烧毁空间站。 且不说空间站,导演明天可以先一榔头砸一下自己家的电视机,然后把一瓶白酒砸在上面,你看看会不会着火。 当然那个监控摄像头也很神奇,砸一下就刺啦刺啦地冒几分钟火星? 您到底是摄像头还是焊枪?

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值得注意的是,《流浪地球》中的引力弹弓场景很可能实现不了,电影忽视了一个非常重要的先决条件,木星和地球的质量比值不够大,大约320(不像乒乓球和球拍质量差那么悬殊)。地球不可能利用木星的巨大引力实现引力弹弓的加速效果,地球一旦被木星引力捕获,结果必然是地球和木星相互牵扯,两者相互围绕旋转,旋转半径会越来越小,最后,地球和木星发生猛烈碰撞,形成一个新的星球。

4)一群人为了运送一个神奇的“火石”丧命。 估计导演同志是个烟民。看到发动机想到的就是什么打火机,打火石。导演应该明白原始人用火石,后来人们发明了火柴,凝固汽油,电子打火。 很难想象到底是什么原理,在未来高度文明,一个发动机需要一个大石头才能点燃。 当然更神奇的是, 这个石头被手枪打了几下就神奇地报废了。 石头啊石头,你到底是个啥? 是打火机上的打火石,还是是个人造大芯片?

再往上,会再复杂一点。会讲到两个球体的撞击不是发生在沿着球心的直线方向的情况,撞开了以后两个球的运动方向和原来的球体的运动方向不在一条直线上。

关于重聚变发动机

5)伟大的上海城被地球停止自转的海啸淹没。 然后温度急剧降低,被冻在冰河里。 当然了冰河似乎有变成了峡谷,峡谷里又有了很多纷纷落下的石头。 真心想请教一些导演,这是怎样的一个物理变化。 当然这不是最神奇的,最神奇的,这些曾经的上海的高楼大厦在经历海啸和速冻之后,电梯井里没有水没有冰。是一个完整的空井? 难道从东方明珠到上海中心,用的都是传说中的防水电梯?

以上只是一个大概的一步步考题变难的过程。在F=ma这种竞赛类的考试中,就会有一些相对灵活的考题。比如,《流浪地球》中的地球和木星的擦肩而过。要理解,即使两个球体没有直接的物理接触,两者之间的万有引力已经把两者联系在一起了,因为它们之间的作用力早就开始了,就等同于碰撞早就开始了。即使没有撞在一起合二为一,也是应该用动量守恒的原理进行解题的。毕竟地球不能和木星迎头相撞,那就一定死翘翘的了。实际上,地球和木星的距离越小,能增加的速度越大。但也不能太贪心,离得太近了就被木星吸进去再也出不来了。

重聚变发动机助攻“流浪地球”理论上有可能

6)用发动机停止地球自转,应该是个缓慢的受控过程。受控过程不应该发生海啸,即使发生海啸也应该有预案。好好的怎么就变成姥爷拯救落水孤儿了?

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在《流浪地球》里,还有一些引人注目的“大家伙”——高度达11千米,比珠穆朗玛峰还高2.2千米的重聚变发动机。每台发动机能提供150亿吨的推力,而这样的发动机在欧亚大陆和美洲大陆总共有一万两千台,总共能提供150万亿吨的推力,如此大的动力方可在5年左右将地球推进到逃逸太阳引力的最低速度,即16.7公里/秒。

7)刘男主所在的宇宙飞船是通过旋转来形成重力场的。旋转停止,重力场会消失,人就会浮起来。 这点电影基本正确。可惜导演忘了动量守恒了。 如果要让宇宙飞船的一部分停止旋转,另外一部分就必须反向飞转才行。在太空中没有大地,旋转是不可能通过刹车片能停下来的。

这是一件刀尖上舔血的事情,一定需要精确计算才行的。

李晋斌解读,重聚变,就是由重原子进行的核聚变。“我们常听说聚变的是轻核聚变即氢聚变反应变为氦放出巨大能量,这也是太阳产生能量的主要方式。人类能做到的还只是利用氢原子进行的不可控核聚变,但氦并不是核聚变的终点,氦可以继续聚变生成碳,碳继续聚变生成硅,即氦–4→碳–12→硅–28。硅当然也不是核聚变的终点,大质量恒星后期的聚变反应就是“重聚变”。从“硅”开始大质量恒星“重聚变”过程是:硅–28→硫–32 → 氩–36→钙–40→钛–44 → 铬 –48 → 铁–52,核聚变走到铁这一步,就不再释放能量,而是吸收能量,所以重聚变最后产生的废渣就是铁。“重聚变”释放出的能量,比氢弹爆炸释放的能量要大很多很多。当然重聚变需要的温度也高得多、压强也要大得多才能实现。

8)地球赤道长4万公里。北京纬度接近40度。也就是说北京到赤道的直线距离将近4400公理。 一个还是橡胶轮胎的重卡车在冰雪交加的野地,零下80度的低温,途经上海杭州,十几个小时就可以跑完在整个行程。这让人难以接受。如果人类转入地下生活的话,更有效的交通工具应该是地下的隧道。

小说和电影中,利用岩石为主要燃料进行核聚变就是这个过程。我们地球上岩石的主要成分是“硅”。正是有了重聚变发动机,才能让“流浪地球”计划成功,因为岩石在地球上到处都是,提供了无穷无尽的燃料。至于如何实现可控“重聚变”,那就是科学家而非科幻小说家的任务。

9)木星是太阳系行星中自转最快的一个了。差不多10个小时转一圈。 可是电影里几乎所有的木星镜头都是大红斑,早也是大红斑,晚也是大红斑。大红斑正对着飞船,大红斑正对着地球上的观测者。大红斑啊大红斑,你可知道,地球上有个导演有多么爱你。

特别关注

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太阳变为红巨星?50亿年后再说!

重核离子发动机也是电影的大戏。据说反反复复做了很多次模型。可能是导演太爱自己做出来的模型了。很多戏都围绕着发动机的场面。重核发动机到底是啥原理咱们搞不清。反正是烧石头转化成离子推力。 观众忍了。 像我一开始说的那样,大家是可以忍受一两个极端的假设的。 可是都是未来科技高度发达了,怎么还会荒谬到开卡车拉石头? 这些事应该是机器人更加靠谱一点。或者直接用传送带运送石头。

李晋斌特别补充,太阳变为红巨星只是《流浪地球》中的一个假设。现实中的太阳按照恒星正常的寿命,50亿年之后才会变为红巨星。那时候人类大概已经移民到其他恒星系星球。所以大家不必杞人忧天,还是应该珍惜当下。

地球停止自转完全没有必要。 发动机可以按照地球轴线的方向上布置。 这样地球可以保持自转,同时沿着轴线方向前进。地球保持自转很重要,不然朝向太阳的那面很快就被烤糊了。 另外地球停止自转了,地球的磁场保护就会消失。地球表面的宇宙射线会让任何生命几分钟就死亡。 你可能说地球太阳系是平的,地球需要沿着水平方向才能到达木星轨道,脱离太阳系。 不过既然发动机的力量最终都可以把地球加速到千分之五的光速。让地球慢慢地转90度改变一下运动方向也不是什么问题。 地球最终也是要改变运动方向的,因为人马座并不在正正好好太阳系的平面方向上。

(原标题:看不懂《流浪地球》里的科学奥秘? 别急,南航专家来帮你“科普”)

如果再深究一下,地球不可能是采用不改变轴线方向的方式离开太阳系的。因为地球的自转赤道和太阳系的公转黄道有夹角。简称黄赤交角。如果试图在公转平面上到达木星轨道的位置,就不可能按照地球赤道方向逃逸而去。黄赤交角23度。既然发动机能让地球转23度,干嘛不转67度,让黄赤平面正好垂直,不就省的停止自转了。

最后说说地球借助木星引力脱离太阳系。 按理说这段是极其容易出戏的,可以用电影的手法表现得惊心动魄。可惜《流浪地球》电影在这个环节上错得莫名其妙。

电影里莫名奇妙地来了个木星引力波动。星体的引力极其稳定,亿万年都没有什么变化,无论是太阳的引力,还是地球的,还是月亮的。根据万有引力定律,引力只是跟质量和空间距离有关。木星有四大卫星和六十多个小卫星,亿万年来木星引力要是不稳定,这些卫星早己坠入了。 木星引力你波动个啥。好端端早不波动,晚不波动, 亿万年你都不动, 偏偏等到地球快来得时候,春心难耐,小心脏就啪啪乱动,一下子引力波动了9%。木星啊木星,你这样对得起围着你鞍前马后转了几十亿年的那六十多颗月亮妹妹么?

再说说点燃木星这段。 这段以色列的科学家说的很对。完全不靠谱,成功率是0。为什么呢?木星90%的氢组成的。木星的总质量是地球总质量的318倍。 地球的大气中氧气的总质量是1.4X10^18 kg,木星的质量是1.9X10^27kg。也就是说,即使地球上大气层中所有的氧气都被木星掠去,那么木星中氧气的浓度也只有十亿分之一左右, 远远低于闪点。 这个浓度相当于多少呢? 正常人放一个屁的气体质量是0.0371克,用这个数字乘上十亿倍就是3.7*10^7kg。如果是大气体积就是三千万万立方米的空气。差不多是上海黄浦区一个人这么高的总空气质量。如果你相信因为你在上海的黄浦区放了一个高浓度硫化氢的屁,同时有人划燃火柴,就能把黄浦区都点燃炸掉,你就可以相信电影里的情节了。

再说说木星掠夺地球大气这段,地球大气是不可能在地球撞击到木星之前,提前被木星掠夺走的。就像你站在一块陨石上,高速一起撞向地球,你是不可能因为被地球先吸走一样。这个道理伽利略的两个铁球同时落地的实验已经证明。 阿姆斯壮也在月亮上把铁锤和羽毛一起落下。初中课本里对这个现象叫做重力加速度原理。在木星引力作用下,两个不同密度的物体下落的加速度是一样的。朝木星奔去的时候,地球上的每个物体都有相同的速度和加速度。地球上的大气层也不例外。伽利略同志要是看了这个电影估计能从坟墓里气死过来。不明白为什么导演犯中学物理的常识错误。

另外一方面地球也是有引力的,虽然地球引力比木星小300多倍,可是别忘了那个时候,地球的大气层距离木星7万多公里,距离地球只有几公里。地球对大气层的引力远远比木星引力大。 如果大气层是小伙子,木星就是7万公里万的大眼睛姑娘。大眼睛姑娘再好看,小伙子也是无力推开怀里的春姑。

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当然了如果你觉得为了艺术,老百姓不想深究那么多,木星上是氢气,地球大气有氧气,大过年的,这么好的结合点来一个火柴多过瘾。

那就看看这个火柴有多不靠谱。 按照电影里说的,相撞之前,木星和地球的距离是7万公里。7万公里靠发动机的火焰是不可能够到的。火焰这种现象只能在大气层中存在。离开了大气层你能看到的只是离子或者物质的流动。 另外火焰的速度通常在10-100米/秒这个数量级。 最快的火焰需要70万秒,8天时间才能走完7万公里的行程。

人类历史上最大的氢弹爆炸,蘑菇云也没有脱离到大气层之外,因为大气层之外不可能有蘑菇云。火焰更不可能逃逸到大气层之外。

如果是等离子发动机,Plasma engine。等离子流是没有火焰的,只是粒子束在电场的加速下反向喷射。所以离子的温度一般和环境温度没有多少区别,在地球上,是常温温度300K左右。 在这个电影里,等离子流的温度就是环境温度,零下80度。氢氧最理想条件下的燃点温度400摄氏度,远非等离子流能够点燃的。

如果你真的相信木星可以被点燃的,其实根本不需要什么火焰和宇宙飞船去撞击木星。 木星和地球一样,分分秒秒都有无数的流星划过。那些流星在进入木星大气的时候,都会高温燃烧。可以说每分每秒都有火柴不停在点燃木星。根本不用刘男主去献身。

当然,为了艺术,我们也忍了。 但是实在不能忍的是导演认为这样可以把地球炸出来,逃逸木星的引力。 可能导演忘了地球是什么构成的。地球最表面是地壳, 这些是由轻薄的岩石构成。 内部大部分空间是液态物质,最最中心是铁与镍的固体硬核。 地球不是实心的一块石头。更形象的比喻是个鸡蛋。 地壳非常的薄弱。你在鸡蛋边上发了一个炸弹,试图用冲击波,把鸡蛋炸的远远的。结果可能不是鸡蛋被炸远了,而是把蛋壳打破了,当场炸得粉碎。事实上相对地球的质量,地球的大气实在是太小,爆炸的总能量根本撼动不了地球。

当然了,即使有巨大爆炸冲击波永远也不会到达鸡蛋。 爆炸只所以会产生冲击波,那是因为大气的原因。 如果木星发生了氢氧燃烧和爆炸,冲击波也永远只会留在木星的大气层里。在太空中的爆炸事件,除了光和辐射之外,什么动力都不会产生。2009年木星曾经遭受过彗星撞击事件, 又被称为韦斯利撞击事件。 哈勃望眼镜有幸记录了全部过程。撞击之猛烈,能量之大,留下的疤痕和木星的大红斑一样大,和地球的直径差不多。 即使这样,也没有看到任何冲击波能够逃逸木星的引力。 还是那句话,太空中是不会有冲击波的,冲击波只存在于大气层中。

最后总结一句我看到的一个影评人写的话。 这个电影拥有宏大的场面,试图描述人在灾难面前的情感起伏。 唯一缺乏的就是common sense。

除了电影缺乏common sense, 下面是给号称喜欢“硬核”科幻的脑补一道题目,中学毕业的应该都会做。

如果把地球加速到0.05%的光速。根据动量守恒原理,你需要朝地球运动的反向喷射出至少0.05%的物质,即使你有本事把它们加到光速。 假设你有一台无限效率,无限牛叉的发动机,能够把地球上的任何物质零代价地变成等离子体,然后再毫无代价地加速到光速,然后朝发动机的反向喷去。那么你也需要把地球上0.05%质量的物质喷走,才能把地球加速到0.05%的光速。考虑到到达目的地星系的时候,需要同样做减速动作,你需要再消耗地球上0.05%的物质做减速运动。不然这么高的速度,人马座恒星引力场捕捉不了。

所以即使是理论上最最最牛的发动机,你也会消耗0.1%地球的总物质。这还不包括拐弯转向和能量的消耗。地球上地壳总质量包括一切江河湖海高山大地的总质量,占地球总质量的0.3%。 地壳平均厚度17公里。电影里地下城深度是5公里,显然导演同志不知道很快连卡车带地下城市都要喂给发动机。地球上大海和地壳的一半都被发动机喷光了也不够。上次地球从岩浆状态冷却下来是冥古宙,用了10亿年。除非人类能找到在炽热的岩浆中生活的方法,否则地球还是老老实实待在太阳系吧。人类需要善待地球,因为哪里也去不了。

(本文作者是同济大学机械与能源工程学院教授许鹏,作者原题为:电影《流浪地球》里的科学常识错误)

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