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青岛晚报:《流浪地球》燃爆物理知识 记者邀大学物理老师现场“教学”讲解
来源: 发布时间:2019-02-21  发布人:曹玉洁

一部《流浪地球》,为国产科幻电影拼出了希望,甚至被称为中国科幻电影元年真正到来的标志。该片主要涉及哪些重要的物理知识点?#31185;部?#23089;?#20013;裕?#22320;球“流浪”的方案在科学的维度靠不?#31185;祝?#23588;其是地球和木星碰撞危机的解除方式,是否符合科学逻辑?记者就此采访了驻青高校的几位物理学科教师。

 青岛理工大学理学院物理系讲师、博士 初鹏程
        在物理知识运用的大方向上没问题 

       毕竟这是一部科幻电影,不是科学电影,因此不能完全从科学的角度来审视,但它在物理知识运用的大方向上是没问题的。这部电影主要涉及了中学、大学本科、研究生三个阶段的物理知识,中学阶段涉及力学,比如引力、能量守恒、反冲及近代物理,比如太阳所蕴含的氢、氦、核聚变等;大学本科阶段主要涉及理论力学知识,比如角动量守恒等;研究生阶段牵扯的知识较多,比如广义相?#26376;邸?#22825;体物理基础、原子核物理、核?#20174;Α?#31890;子物理等。这是一部涵盖大量物理知识的科幻电影,且很多知识需要一定的科学素养才能解读。编剧的处理方法比?#31995;?#24403;,凡是涉及较为高深的专业物理知识,都没有太过深究,交代得比较顺畅,有利于剧情发展。
1.地球流浪前就“生死未卜”
       如果将这部电影带入教室,作为物理课的讨论题目,那?#20174;?#20960;点可以深入?#25945;?#19968;下。该剧情起于“太阳急速衰老膨胀,地球面临被太阳吞没的灭顶之灾”。太阳里含有大量的氢,并进行着核聚变?#20174;Γ?#27809;?#26143;?#23601;没法进行核聚变?#20174;Γ?#22826;阳可能就会爆发,进而塌陷。太阳晚期,一旦其所含有的氢被?#26408;?#20102;,就没有办法进行核?#20174;Γ?#23427;向外释放的压力就比不过引力,这时太阳便可能变成红巨星。《流浪地球》所演绎的是太阳晚期趋于爆发的那个阶段的地球遭遇,这个阶?#21361;?#22826;阳内部还在发生着核?#20174;Γ?#22826;阳因此可能随着它的?#20174;Γ?#20307;积逐渐膨胀,甚至会膨胀到地球的轨道上去。一旦膨胀到地球的轨道上去,如果地球还在原来的那个位置,必然就会被太阳吸收。但是这种假设不是特别合理,因为如果太阳继续膨胀下去的话,地球有可能在太阳还没?#20449;?#35302;到它的位置的时候,就已经偏离了原来的轨道。当然,具体会发生什么,也没有办法完全通过理论准确预言,有可能地球因为受太阳风照射而质量流失,进而轨道外移;还有可能因为?#27605;?#30456;互作用被太阳直接吞噬……不过有一点可以确定,一旦发生了这种情况,地球肯定会离开它原来的位置,和太阳及周围星体之间的相对位置发生变化,地球的生态环境必然会发生巨大改变,而?#27778;?#24448;对人类不利的方向上走的。
2.地球若停止自转将面临灭顶之灾
       影片一开始,地球自转被人为停止,目的是减少地球逃离太阳系时因自转而消耗能量。其实,在逃离时地球根本不需要停止自转,因为停止自转会引发海啸、超低温等灾难不说,还可能会导致大气层脱离,地球遭遇辐射灾难。此外,有了地球的自转,才能够保证地球在迁徙轨道上的运转是稳定的。而且,停止地球自转的能量是难以想象的,如果人类能够掌握这种能量,那么早就可以全部移居外太空了,不必再让地球流浪。
3.迁徙方案用到引力弹弓效应
       影片迁徙地球的方案涉及了“引力弹弓”效应,通俗点讲,就是借助木星的引力,改变地球的运动轨道和速度,形成“引力助推”的效果。这里还需有个前提假设,即在地球偏离轨道运动时考虑其为坚不可摧的物体,不会破裂。
       我们有三大宇宙速度,第一宇宙速度,第二宇宙速度,还有第三宇宙速度,当物体的飞行速度接近或超过第三宇宙速度的时候,就有机会脱离太阳引力的束缚。在影片里,我们可以假设这样一个场景,地球接近木星的时候,刚好擦着木星从背面绕过去,存在一定的角度,木星对地球有引力,以致地球原来的运行轨道被偏转,改变了运行方向,借助这个力量,地球轨道发生变化,实现引力助推。这个效应目前一般用在飞行器上,电影用在了地球上,充满了浪漫主义的想象力。
4.最后危机可能来?#26376;?#24076;极限
       影片最后,地球和木星相距越来越近,轨?#32769;?#31034;将会?#19981;鰨?#24403;双方相距仅剩7万公里左右时,影片设计了通过点燃木星来推开地球以?#20048;?#30456;撞悲剧发生的情节。这里涉及一个物理知识——洛希极限(Roche limit),它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“?#27605;?#21147;”?#26680;欏?#36890;俗点讲,对于两个相处一定距离的天体,由于天体是球状的,它们的不同部分与对方质心的距离是不一样的,所以受到对方的引力作用强度也是不同的,靠近对方质?#21738;?#37096;分所受的引力要比远离的那部分更强,这样天体就会受到?#27605;?#21147;的作用,从而被拉伸变形。当两个天体的质量和强度存在差异并且距离足够近时,质量较小强度较弱的天体就会被另一个更大天体的?#27605;?#21147;拉扯解体,成为环绕那个更大天体的光环,该极限距离就是洛希极限。
       正是由于洛希极限的存在,地球在?#19981;?#26408;星之前就很有可能已经被撕成了碎片,并环绕木星飞行。

结语:最后,三位物理方面的专家都认为,对于?#32960;?#35266;众,电影好看,能达到陪伴家人、身心放松的目的就好。对于师生,如果能够从这部影片?#20889;?#36827;学习或教学,就更好了。对这部电影从物理学科方面的?#39280;?#24182;不是挑刺,而是给即将开学的老师和同学们提供几个交流提升的切入点,这也是对这部电影价值的进一步开发利用。 
        青岛晚报/掌上青岛/青网 记者 杨海涛 通?#23545;?李鹏 曹玉洁 臧传永



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