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电影《流浪地球》里的设想不可能?让我们逐一解读里面的科学知识

2019-02-07  高天明月...

最近几天上映的国产首部“硬科幻”电影《流浪地球》,可以说是拍出了科学知识,拍出了情怀,得到了观影者的一致好评。《流浪地球》是根据著名科幻文学作家刘慈欣的同名小说改编的,在这部小说中,大刘用到了非常硬核的一些涉及物理学、天文学的知识。在这里,我为大家解读一下。

1、重聚变发动机(重原子聚变发动机)

巨大的重聚变发动机耸立在天地间

电影中最惹人注目的,就是这些重聚变发动机,高度达11公里,比珠峰朗玛峰还高2.2公里。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(小说设定),总共能提供150万亿吨的推力。

重聚变,顾名思义,就是由重原子进行的核聚变。目前人类能做到的,还只是利用氢原子进行的不可控核聚变(氢弹)。而小说和电影中利岩石为主要燃料进行核聚变,则需要更大的温度的压强才能实现。我们地球上岩石的主要成分是“硅”。根据天文学的研究,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 → 镍–56。在这个聚变过程中,释放出大量的能量,比氢弹爆炸释放的能量多太多了。

当然,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。

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。

然后,光有重聚变发动机还是不行的,必须还要应用到下面这项技术。

2、无工质推进

“灼热的飓风夹着滚烫的水沫,在林立的顶天立地的等离子光柱间疯狂呼啸” ---刘慈欣《流浪地球》

重聚变发动机喷射出等离子光柱

要知道,我们目前的火箭技术都是工质推进。也就是火箭燃料在燃烧室内经过燃烧后向后喷出,让火箭获得一个反方向的推力。但是,我们不得不承认,这种方式的效率是非常低的,需要燃烧相当多的燃料,而且燃料本身的重量也要消耗火箭发射的能量。那么有没有效率更高的发动机呢?

我们从高中物理学中学到:

m1v1=m2v2

通俗的讲,就是火箭喷出物质速度越快,火箭获得的推力就越大,同时消耗的燃料就越少。那么无工质发动机喷出的是什么呢?是电磁场加速后的等离子体,这种物质的喷射速度最高能达到500公里每秒,在未来甚至更高,最高上限是30万公里每秒。目前液体火箭喷射燃料的速度也不过4.5公里每秒。也就是说,同等条件下,无工质推进是目前火箭发动机的100倍效率。

因此在无工质推进的高效率之下,才能让地球节省了这些岩石燃料。否则,按照常规推进模式,把半个地球当燃料烧了,也不够这一万两千台发动机把地球推动逃离太阳系。

3、霍曼转移轨道

“地球的变轨加速就这样年复一年地进行着。每当地球向远日点升去时,人们的心也随着地球与太阳距离的日益拉长而放松;而当它在新的一年向太阳跌去时,人们的心一天天紧缩起来。 ” ---刘慈欣《流浪地球》

利用霍曼转移轨道,就可以用最少的燃料到达木星轨道

在电影和小说《流浪地球》中,地球逃出太阳系,并不是跟扔标枪一样一下子飞出去,而是采取了转圈扔铁饼的方式。先把地球绕太阳的公转的轨道由圆形改为椭圆形,这里就牵扯到了霍曼转移轨道的概念。

霍曼转移轨道(Hohmann transfer orbit)是一种变换太空船轨道的方法,途中只需两次引擎推进,相对地节省燃料。此种轨道操纵名称来自德国物理学家瓦尔特·霍曼。

霍曼转移轨道不是最省时间的方法,但却是最省燃料的方法。而把地球轨道从圆形变成椭圆形,目的是为了获得一个冲向木星的路径和速度,以便利用木星的引力加速,最终逃出太阳系。

当然,像地球这么大的星体,仅进行一次椭圆轨道绕日是远远不够的,在原著中,地球总共进行了15次椭圆形公转,每次的椭圆形都比以前更扁一些,其目的还是为了节省燃料。

4、木星引力

“按照预定的航线,地球升向与木星的会合点。航行委员会的计划是:地球第15圈的公转轨道是如此之扁,以至于它的远日点到达木星轨道,地球将与木星在几乎相撞的距离上擦身而过,在木星巨大引力的拉动下,地球将最终达到逃逸速度。 ” ---刘慈欣《流浪地球》

电影中地球和木星擦肩而过,天空中是木星著名的大红斑

人类历史上有过利用木星引力的先例,七十年代发射的旅行者一号和二号探测器,就是利用了木星的引力,最终达到了离开太阳系的逃逸速度。在原著中,质量是地球318倍的木星,用引力将地球朝着自己拉扯过去,在这过程中地球获得了一个很大的逃逸速度。但是人们担心地球最终会和木星相撞。不过,请放心,在科研人员的精确计算之下,地球最终和木星擦肩而过,以更快的速度逃向太空深处。

5、氦闪

“我的眼睛突然什么都看不见了,几秒钟后,视力渐渐恢复,冰原、海岸和岸上的人群又在眼前慢慢显影,最后完全清晰了,而且比刚才更清晰,因为这个世界现在笼罩在一片强烈的白光中,刚才我眼睛的失明正是由于这突然出现的强光的刺激。 但星空没有重现,所有的星光都被这强光所淹没,仿佛整个宇宙都被强光融化了,这强光从太空中的一点迸发出来,那一点现在成了宇宙中心,那一点就在我刚才盯着的方向。 太阳氦闪爆发了。 ” ---刘慈欣《流浪地球》

氦闪在几秒钟之内释放出正常恒星千亿倍的能量

最最关键的知识点来了,氦闪。这种现象发生在0.8个到2.25个太阳质量的恒星身上。当恒星内部氢元素燃烧殆尽,导致氦元素在恒星的核心大量积累,密度增加。在外部压力的作用下,氦元素以简并态的方式存在着。当核心内部温度达到一亿K到两亿K时,氦聚变开始了,由于简并态传导的速度很快,几秒钟之内核聚变就在整个氦核心中发生,并使恒星产生千亿倍于正常恒星的能量。然后恒星核心里的氦绝大部分在这几秒内聚变为碳元素。氦闪结束后,恒星内部引力收缩和核聚变压力重新得到了平衡,内核收缩,外壳膨胀,恒星膨胀为红巨星,变的更大。如果按目前太阳的体积和质量,红巨星阶段的太阳,体积会包住地球,边界到达火星附近。

不过诸位请放心,太阳立即变为红巨星,只是《流浪地球》中一个假设。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,该吃的吃,该喝的喝,该玩的玩。珍惜当下,建设国家。

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