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木星为什么秒变超级杀手?

  《流浪地球》为了打造中国第一部真正的硬科幻电影,剧组做了大量功课,整部电影对太空、航天、机械等有着丰富的表现。硬科幻的魅力是什么?大概就是能跳出故事本身,让我们对生活产生不一样的思考。现实中,“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?
  影片的故事背景是这样的: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)。
  地球是个庞然大物,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)。
  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,这实在太漫长。
  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,这是因为行星发动机的能量来自重元素聚变。
  重元素聚变并不稀奇,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7亿亿吨石头,这相当于把全球的地面挖掉40米作为燃料;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。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地改变方向、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。
  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。地球获得木星的轨道速度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。
  影片中,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……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”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:
  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》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。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。
  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…… 据科普中国