當前位置>>科學普及 > >>正文

科學普及 >

看不懂《流浪地球》裡的科學奧秘 南航專家幫你科普
2019-02-11 14:54:45   來源:揚子晚報

《流浪地球》劇照。
《流浪地球》劇照。

  春節檔,電影《流浪地球》大熱。不少觀衆在看完電影後依然覺得摸不着頭腦,到底什麼是“引力彈弓”?“重聚變發動機”又是怎樣工作的?南京航空航天大學理學院副教授李晉斌應邀為揚子晚報做了專門解讀。 揚子晚報/揚眼記者 楊甜子

  關于引力彈弓

  “引力彈弓”是飛行器加速常用的方法

  《流浪地球》電影中,地球逃逸太陽引力的重要段落裡,“引力彈弓”扮演了舉足輕重的“角色”。李晉斌介紹,地球這個龐然大物,半徑6371公裡。但劇中人類造出了同樣龐大的行星發動機,足以在5年左右将地球推進到逃逸太陽引力的最低速度,即16.7公裡/秒。這個速度相當于複興号列車速度的200倍。即便是如此高的速度,相對于星際距離來說還遠遠不夠,目的地比鄰星(半人馬座三星)距離地球4.3光年,如果按照逃逸速度航行,需要7.7萬年才能抵達,這實在是太漫長了!于是人類想到了借助木星的“引力彈弓”,令地球零消耗改變方向、提升速度,最後到達比鄰星。

  李晉斌告訴揚子晚報記者,“引力彈弓”是一種飛行器加速常用的方法,我們向地球以外的天體發射飛行器時,常會應用到其他行星或天體做“引力彈弓”,以此來節省燃料、時間和計劃成本。比較經典的可能是美國的“卡西尼”号探測器了,它于1997年10月15日從地球發射前往目的地——土星,但隻帶了很少的燃料。它在1998年4月26日利用了金星的彈射,在1999年7月24日利用了金星的第二次彈射,又于1999年8月18日利用了地球的彈射,後于2000年12月30日利用了木星的彈射,最終于2004年7月1日抵達土星。

  電影裡的“引力彈弓”場景很可能實現不了

  “比如一隻乒乓球,當它飛向一面靜止的球拍時,在忽略重力、空氣阻力、摩擦等因素的情況下,反彈速度是相同的。但如果這個球拍向着來球方向移動,那這個球與拍相撞後反彈速度就會變快,這就是‘引力彈弓’效應。”李晉斌說,其實“引力彈弓”也是科幻電影經典橋段之一。例如《星際穿越》中,庫珀為使“巡邏者”号飛船到達米勒星球,這就需要降速c/3,他采用的方案是利用一顆中子星進行引力彈弓減速。

  值得注意的是,《流浪地球》中的引力彈弓場景很可能實現不了,電影忽視了一個非常重要的先決條件,木星和地球的質量比值不夠大,大約320(不像乒乓球和球拍質量差那麼懸殊)。地球不可能利用木星的巨大引力實現引力彈弓的加速效果,地球一旦被木星引力捕獲,結果必然是地球和木星相互牽扯,兩者相互圍繞旋轉,旋轉半徑會越來越小,最後,地球和木星發生猛烈碰撞,形成一個新的星球。

  關于重聚變發動機

  重聚變發動機助攻“流浪地球”理論上有可能

  在《流浪地球》裡,還有一些引人注目的“大家夥”——高度達11千米,比珠穆朗瑪峰還高2.2千米的重聚變發動機。每台發動機能提供150億噸的推力,而這樣的發動機在歐亞大陸和美洲大陸總共有一萬兩千台,總共能提供150萬億噸的推力,如此大的動力方可在5年左右将地球推進到逃逸太陽引力的最低速度,即16.7公裡/秒。

  李晉斌解讀,重聚變,就是由重原子進行的核聚變。“我們常聽說聚變的是輕核聚變即氫聚變反應變為氦放出巨大能量,這也是太陽産生能量的主要方式。人類能做到的還隻是利用氫原子進行的不可控核聚變(氫彈),但氦并不是核聚變的終點,氦可以繼續聚變生成碳,碳繼續聚變生成矽,即氦–4→碳–12→矽–28。矽當然也不是核聚變的終點,大質量恒星後期的聚變反應就是“重聚變”。從“矽”開始大質量恒星“重聚變”過程是:矽–28→硫–32 → 氩–36→鈣–40→钛–44 → 鉻 –48 → 鐵–52(鐵–56),核聚變走到鐵這一步,就不再釋放能量,而是吸收能量,所以重聚變最後産生的廢渣就是鐵。“重聚變”釋放出的能量,比氫彈爆炸釋放的能量要大很多很多。當然重聚變需要的溫度也高得多、壓強也要大得多才能實現。

  小說和電影中,利用岩石為主要燃料進行核聚變就是這個過程。我們地球上岩石的主要成分是“矽”。正是有了重聚變發動機,才能讓“流浪地球”計劃成功,因為岩石在地球上到處都是,提供了無窮無盡的燃料。至于如何實現可控“重聚變”,那就是科學家而非科幻小說家的任務。

  特别關注

  太陽變為紅巨星?50億年後再說!

  李晉斌特别補充,太陽變為紅巨星隻是《流浪地球》中的一個假設。現實中的太陽按照恒星正常的壽命,50億年之後才會變為紅巨星。那時候人類大概已經移民到其他恒星系星球。所以大家不必杞人憂天,還是應該珍惜當下。

每天為您推送新鮮資訊、生活優惠、同城活動信