如何用通俗的語言解釋《流浪地球》中推動地球的可能性?

問題描述:
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Aorqu用戶:

我們先來看看《流浪地球》的設定,做一個簡化,大概是這樣:

  • 首先,用五百年的時間,加速到光速的0.5%,也就是0.005c;
  • 到目的地之前,還要進行減速,最後泊入目標軌道;
  • 這個過程一共耗時2500年。

我們從簡單的模型開始,一步步地分析,看看推動地球的可能性到底有多大?

動能

我們首先考慮動能。

動能是最為根本的要求,也是決然避不開的東西。任何運動的物體都有動能,而相對速度越高,其動能就越大。

地球要達到光速的0.5%,其所包含的動能會非常之大。

為了方便,我甚至不會用焦耳去表示它,而會直接用質量來表示。按照相對論的質能關系,以光速千分之五速度運行的地球,其質量會比目前的地球要重0.0000125倍。

看起來也不多,九牛一毛。

但是,若要產生這么多的能量,需要的核反應物質可不止這么點。核聚變的反應效率,最高也就在1%上下。這意味著,100kg物質發生核聚變,產生的能量,最多也就相當於1kg正反物質湮滅產生的能量。

從而,若要給地球提供這樣大的動能,所需的物質質量,至少也得是 0.0000125 \times 100 = 0.00125 倍的地球質量。考慮到還要減速,這個質量還得加倍。所需開採的物質放在一起,其半徑會達到地球半徑的13.6%

這可已經不小了,我渲染了一個示意圖,它大概有這么大:

足夠讓地球脫一層皮的。

注意,這並不是說要扔掉這么多的物質,而是說至少要翻動這么多的物質拿去做燃料。這樣的工程量也是極為可怕的。

而這,還沒有考慮到發動機噴出的工質的能量。

工質

要讓地球加速,根據動量守恆定律,必須要向相反的方向噴射物質。我們稱這些物質為「工質」。

工質本身也有很大的動能與質量,所以我們需要將它們一併考慮。一般來說,工質的速度越大,所需的工質質量也就越小。

我們所要問的是:為了將地球加速到光速的千分之五,地球最少需要損失多少質量?

這個損失包含兩個部分,

  1. 一個是工質的質量損失;
  2. 一個是損失能量帶來的質量損失。

優化這兩個質量,就可以得到地球最少需要損失的質量,進而去分析「有沒有可能推動地球」。

地球的目標速度為光速的千分之五,而工質的速度通常會更快,所以需要引入相對論進行計算。

設地球速度為 v=0.005c ,質量為 m_e ;工質的質心速度為 v'=\beta c ,質量為 m_w

列動量守恆式為:

p_w + p_e= 0 \to -\frac{m_w}{\sqrt{1-\beta^2}}\beta c + m_e v =0

同時忽略地球的質量變化(千分之一量級),需要消耗的總質量(扔掉的加上燒掉的)為:

m_\text{all}=\frac{m_w}{\sqrt{1-\beta^2}}+\frac{m_e v^2}{2c^2}=\frac{m_e v}{\beta c}+\frac{m_e v^2}{2c^2}

很明顯, \beta 越大,總的質量消耗越低。這就等於在說:工質的速度越高,其質量消耗越低。

在電影中,發動機的火焰沒法點燃木星,是因為噴口速度太低。但這樣的設計是不劃算的,會消耗更多的物質。

但是,如果實際一點,優化目標不再是「損失最少的質量」,而是「挖最少的石頭」。那麼,這時最優的工質速度就是(用經典力學計算,因為誤差不是很大):

\beta = \sqrt{2\eta}

其中 \eta 是核聚變的效率,這里假設為1%,也就是會有1%的物質能被轉化為能量。

這個時候,一共要挖的石頭得有這么重:

m_D = \frac{2}{800} \left(40 \sqrt{2}+1\right)m_e = 0.144m_e

這可比之前的要重得多了,實際上,這已經比月球還要重了。這么大的質量,大概相當於地球半徑一半的岩石行星。若要畫出來,得是這樣的畫風:

如此大的質量,非常恐怖,即便人類真的可以「子子孫孫無窮匱也」,也不知要挖到何年,挖到何月,更不知道兩千五百年夠不夠,更不知道到達目的地後人類還記不記得自己為何出發……

之前曾見別人討論「大過濾器」的問題,其中的一個觀點就是:大過濾器其實就是星際航行,星際航行極為困難。時間、空間、能量,個個都是難以逾越的高山,更不用說壽命、死亡,這個「上下四方無窮大的牆」。


Harry Toni:

看到大家都在討論能不能燒石頭獲得足夠能量來推動地球,或者多少行星發動機能推動地球。作為地學學生表示…我直覺告訴我…這個方案可能推不走地球啊……倒是可能毀了地球?

我不太懂航空航天方面的知識,不過作為一個地球物理的學生,我第一直覺是:地球的地殼可能撐不住那麼多行星發動機……地殼物質的屈服應力不是無限大,比珠峰還高大的行星發動機加上全功率推進,應該能直接完全地破壞地殼吧。

回答基於直覺,沒有計算,如果有人想進一步看看地球撐不撐得住,我可以改天算一算。

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Aorqu優秀傳統不能丟,大家都感興趣,那我們就來簡單的算一算,做一個非常粗略的估計。

首先我們需要了解一下地球內部的構造。在短時間尺度上(比如說人類時間尺度),地球內部除了外核是液態,其餘都是固態,這也是為什麼地震波中S波不能在外核里傳播,但是能在地球其餘部分傳播的原因。在長時間尺度上(百萬年時間尺度),地幔物質可以通過蠕動的方式進行流動,是非常非常粘的流體,目前通過冰川回彈測出來的地球內部粘度在10^21 Pa這個數量級(水在常溫下的粘度大約在10^-4 Pa)。

首先考慮一下怎麼估算。考慮到流浪地球計劃整個計劃在2500年這個時間尺度上,建造、啟動行星發動機在30-40年的時間尺度上,這個時間尺度遠遠小於地幔對流的時間尺度,因此不用考慮地幔對流,那可以把這個地球抽象成一個分層的固體球,並且處於靜岩壓力狀態

第二步,整個球體的估算不好做,為了簡化問題,那我們取一個局部的區域,比如我們挑一個地質條件非常「平均」的地方建一個行星發動機,來看看能不能先弄一個出來。假設我們有那麼一個十分平坦,有著平均地殼厚度的地方,這個地方地殼厚度40km,40km以下都是地幔物質。至此我們有了個簡單的層化區域模型,需要往裡面加入一些物質資訊。

第三步,我們看一看物質,我們只考慮建在陸地上的行星發動機。大陸岩石的平均成分比較接近andisite,那我們這個點就取andisite作為地殼組分。(這一部分對於大陸岩石的成分是我根據我的認知寫的,如果有問題,請搞地化的朋友指出,謝謝!)根據目前的主流觀點,地幔物質平均以後是pyrolite,那我們的地幔就取pyrolite。Andisite的密度在2.5-2.8g/cm^3,那取個平均2.65,為了計算方便,近似到2.7;pyrolite的密度這個我不太清楚,上地幔的平均密度3.4g/cm^3,那就取3.4。至此我們有了密度數據,那我們進一步細化一下我們的抽象模型。

根據上述假設,利用isostasy計算一下莫霍深度和海拔。假設洋中脊上方有3km海水(平均海水深度)密度是1027kg/m^3,再假設洋中脊是地幔物質湧出的地方,那莫霍深度差不多是34km(相對海平面),海拔6km。

第三部結束,我們有了一個「平均「地質模型,在沒有搭建行星發動機前,計算一下一些特定深度的壓強。地表0GPa(大氣壓忽略不計),莫霍面大概1.05GPa,400km處大概13.05GPa。

第四步,我們需要一些發動機的設計參數,這部分沒有具體參數,只能根據圖片做一些假設(沒有完整的、有可靠參照物的圖片,只能瞎猜,引入的誤差肯定高的離譜)。一個上海金茂大廈大概是80萬噸,行星發動機可比金茂大廈大多了,粗暴一點,假設發動機的質量40萬億噸(5000萬個金茂大廈)。圖片上顯示的發動機與地面接觸的有六個支撐點,每個的面積假設它有一個香港島那麼大80平方千米。那相當於每個接觸點在表面額外增加了8.2*10^8Pa=0.82GPa這個壓強直接相當於地表以下25km了

第五步計算一下噴射的時候增加的荷載。一共一萬座,加起來一百五十萬億噸推力,那平均一下每座就是150億噸推力,每個支撐點提供的法向支撐力就是25億噸,那噴發的時候,每個接觸點會增加法向壓強3*10^5Pa=0.0003GPa,已經可以忽略不計了。

通過上述兩步,最難的,最容易搞垮地殼的肯定是把發動機建起來,噴射帶來的影響反而沒有那麼大。

接下來考慮把發動機建在我們的地質區域里。這個時候地表0.82GPa,莫霍面1.87GPa,400km處13.87GPa。

有了關鍵的一些參數,我們可以來看一下現實的情況。地表岩石在常溫下的屈服應力在幾百MPa左右(根據查到的資料,andisite屈服應力差不多在360MPa左右),0.82GPa可以把它們碾磨成粉了,再見太陽系之前,得先和我們的地殼再見了。

以上計算比較粗糙,數據也不一定準,歡迎討論,哈哈哈哈。希望下次有科幻片想對地球做點啥可以和我們搞地球科學的人來聊一聊,我們可以幫忙一起打造合理、性感、美妙的科幻片呀!

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  1. 假設人類科技樹開滿了花,我們有沒有機會在地球上建起這樣的發動機?

只要基座夠大或者整個行星發動機質量夠小,使得發動機對地殼的外加應力足夠小,當然還是有機會的。還有一種辦法就是加固地殼,但是這個我覺得比前者難得多。上述粗糙的計算只考慮了垂直於地表的應力,實際上造了這個發動機,最大的問題應該在切向上(根據宣傳海報里的設計),不過這些問題得交給土木的同學們來思考了。對了,轉向發動機要讓地球自轉停止,這個就看到要考慮切向的應力了……ummmm,又一個難題

2. 假設我們在別的星球造好了發動機,把它移到地球上,會怎麼樣?

可能就猶如冰鎬砸進冰塊里一般吧……地殼碎成渣渣……地幔熱物質上涌,減壓熔融,一片岩漿……可能能成為地質奇觀?發動機肯定是沒了。

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對於一部科幻電影,我們要不要去做計算、找科學bugs?

我個人認為,只有當電影本身足夠好的時候,我們才會去思考電影背後的科學有沒有問題,不然我們肯定先吐槽特效做的不好、演員演得不行什麼的。流浪地球這部電影在我看來是目前大陸最好的科幻電影,甩開第二名大概幾個行星發動機。人們看完這部電影以後願意去探討背後的科學問題,本身也是這部科幻電影成功的地方,在我看來向所有人科普、激發人們對科學的興趣、對未知的探索欲也是科幻片很重要的一部分內容。科幻片、紀錄片、歷史片在我看來一直都是有教育意義的。在流浪地球之後,我相信肯定會有很多人對航空航天、天文學、行星科學、地球科學等等學科產生興趣。如果未來能夠有更多這樣的科幻片,相信我們的科技行業肯定會更加欣欣向榮。

相比於對大家說不要對科幻片那麼嚴苛,找它背後的bugs,我反而覺得這樣找bugs的行為對於科學、技術以及科幻電影本身都是有促進作用的。大家都願意去看背後的科學知識,對相關知識感興趣的人群基數大了,自然有可能出更多更好地成果。對於科幻電影而言,大陸的科幻電影還處於一個很初級的階段,我們只有不斷地通過合作的方式來發展它,未來才能有更好地劇本、更現實的場景、更實際的特效,讓更多人看到性感的科學。

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在別的答案里看到一個中科院老師寫的blog里對地球磁場的一個描述,感覺有點問題。在這里根據我的知識稍微說明一下。

地球的磁場,根據現在地球科學的研究,主流的思想是液態外核的對流維持了地球的磁場,驅動力主要還是傾向於thermal convection。地球外殼和內核轉速不一致目前還只是個假說,是基於一些對內核的觀測提出的一個可能存在的現象,目前還沒有太多研究著眼於這一部分對地球磁場的影響。

其實要讓地球停止自轉,還有一個比較有意思的點就是,內核也在旋轉,如何讓內核停下。地殼、地幔都是固體,可以傳遞切應力,但是外核粘度非常非常低,不能有效傳遞切應力。在我的理解里切應力是停止地球自轉的最重要的一點,它是改變角速度的關鍵,如果沒法傳遞到內核的話,這個系統會變得很有意思,有可能出現地殼地幔停下了,內核還在旋轉的現象。

其實流浪地球里有很多很有意思的大尺度上的地球物理問題,歡迎大家多多了解我們的學科!更好地認識我們的地球,更有利於我們研究其他類地行星!


tan tan:

這是中科院天文專家的專業分析 轉自微博

侵刪

原帖地址:

http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog_568553230102yhd5.html

至少在近未來不可能,地球本身物理特性不允許

硬核科幻《流浪地球》:停止自轉的地球真能去流浪嗎–撰文|苟利軍

2019-02-07 19:15閱讀:108

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硬核科幻《流浪地球》:停止自轉的地球真能去流浪嗎

2019年02月06日 15:00 科學大家

出品| 新浪科技《科學大家》

撰文| 苟利軍 中國科學院國家天文台研究員、中國科學院大學天文學教授

【人,生而自由,卻無往不在枷鎖之中。–盧梭《社會契約論》】

【束縛自由的並非地心引力,而是想像力和創造力。掙脫束縛,飛向自由。–中國–首部–科幻–創想–史詩–大片–《流浪地球》–在孩子們心中埋下科幻的種子】

 在大家的期盼當中,中國第一部科幻電影《流浪地球》終於在大年初一上映了,它在之前的點映當中就飽受贊譽。這部影片是根據劉慈欣的同名科幻小說《流浪地球》改編而來。講述了太陽即將死亡,即將進入紅巨星的膨脹階段,地球即將被膨脹的太陽大氣所淹沒。在人類命運即將面臨存亡的關頭,人類聯合政府做出了一項決定,將地球作為一個龐大的飛船駛離現有軌道,駛向距離我們最近、4.2光年的比鄰星。

從地球原有軌道到遙遠的比鄰星,按照小說而言,這是一場長達2500年、需要100代人才能完成的恢弘計劃,它分為了五個階段:(1)剎車階段:憑借赤道上的「行星發動機」的巨大推力,使地球停止自轉;(2)逃逸階段:全功率開動行星發動機,使地球加速駛出太陽系;(3)先流浪階段:利用太陽和木星完成最後的加速,駛向人類選定的新家園「半人馬座比鄰星」;(4)後流浪階段:駛出太陽後,行星發動機全功率開啟,利用500年時間將地球加速到光速的千分之五,然後滑行1300年;然後調轉發動機,利用700年進行減速;(5)新太陽時代:地球泊入比鄰星軌道,成為比鄰星的衛星。

盡管計劃所需時間極為漫長,然而小說也僅僅橫跨百年,以一個人的一生作為背景,描述了人類在地球離開太陽系過程中的各種境況。作為電影,它更是僅僅展現了一個極短的場景,也就是上面所講的後流浪階段。地球在利用木星實現引力彈弓加速的時候,因為行星發動機的失效,地球被木星所吸引,彼此距離不斷減小。為了避免地球撞毀到木星上,在嘗試了一系列的地面方法失敗之後,地面上的救援隊想出利用行星發動機噴出的高能氣體流來點燃木星大紅斑的方法,以期望產生的超強沖擊波將地球推開。不過最終因為行星發動機的的動力不足,還是依靠中國宇航員劉培強最後將太空站點 燃在離子流上,補足了能量,從而使得大紅斑被成功點燃,釋放出超強的沖擊波,地球被成功挽救,繼續開啟了駛向比鄰星的流浪旅途。

我有幸之前受邀去導演工作室觀摩,並且在電影上映當日在影院觀看。電影院里將影片當中的特效展現的淋漓盡致,讓我完全沉浸其中並且為不少場景所感動。電影以非凡和逼真的特技效果,再現了地球在流浪過程當中所遭遇的世界末日的恢弘場景。整部片子從特效上而言,已經堪比好萊塢大片,故事情節也是有松有馳,緊張之中也不乏一些輕松有趣的對話。作為中國科幻第一片,的確大大超出我們的預期。此部電影被定義為硬科幻,肯定是包含有不少的科學成分。比如太陽在燃燒完最中心的氫之後,因為中心氦進一步發生聚核反應而產生更多熱量,從而發生膨脹,這一點就已經為很多人所熟知,完全符合我們的科學認識,而流浪地球就是發生在這樣的背景之下。距離我們最近的就是比鄰星,這也是符合我們的認識,而且劉慈欣的小說《三體》也是以比鄰星為背景的,就是因為它是一個三體恆星系統。

整個電影的場景是發生在地球脫離原有軌道之後。在電影當中,因為地球遠離太陽,接收到的太陽能量減少,所以地球表面溫度急劇下降,所以我們看到的人類都已經轉入地下生活,而地面上的城市保持完整,不過都已經被冰凍起來,成為了一個冰雪世界。

整部電影涉及到非常多的天文知識,今天,讓我們就以科學的角度,選取電影當中提及的幾個場景,深入審視看其是否符合科學的原理。

【人類是否能夠讓地球停止轉動?】

在「流浪地球計劃」中的第一步就是首先讓地球停止轉動,盡管在電影中沒有直接展現這一場景,但是電影當中的旁白中有所提及,讓我們就先來看一下這個停止轉動是否可以實現。

在直接回答這個問題之前,我們先了解一下地球的轉動能量的多少。關於能量的多少,我們很容易的從網路上搜索到,地球的轉動能是2.24E29焦耳,這個能量是非常的巨大。讓我們做一個簡單的對比,從而可以更加清楚地看到這個能量巨大,一個原子彈釋放出來的能量差不多相當於1百萬個TNT當量,或者就相當於是4.2E15焦耳,而歷史上曾經實驗過的釋放能量最強的大伊萬氫彈,釋放的能量差不多是5000萬TNT當量,或者就是2.1E17焦耳,然而相比較地球的轉動能量,還是小巫見大巫了,大約相當於1萬億(1E12)個大伊萬的氫彈同時爆炸。

不過或許在不遠的未來,人類如果能夠熟練掌握了重核聚變能力的話,產生的能量的能力將極大提高。按照電影所說,每個行星發動機通過重核聚變能夠產生150萬億噸的推力(而現在的航天飛機的推力大約在2000萬牛頓,也就是未來的推力大約是現在推力的100億倍)。那讓我們來利用這個估算一下應用到地球質量上,所以很容易地就知道產生的加速度是0.000000025 (或者2.5E-8)米/秒2。在赤道附近的轉動速度大約就是每秒460米。對於一個發動機而言,如果能夠持續不斷的產生反推力,那麼也需要218569天(大約600年)的時間才能夠讓地球停止。不過按照電影所言,在這一萬個行星發動機當中有一部分是位於赤道之上用於減速的,如果數量可以達到100左右的話,那麼就可以在相對比較短的時間用來停止地球轉動。不過必須要求這些發動機是持續不斷並且提供相同的反推力。所以我們看到這個難度可是非常的高,對於地球人類幾乎是不太可能做到的事情。

【一旦地球停止轉動,地球將會發生什麼?】

如果地球一旦停止轉動,那麼地球上將會發生什麼樣的變化呢?或許你會想著,地球不是類似於物理學當中的剛體么,難道沒有了轉動,就會發生很巨大的變化么?

最直接的一個效應就是沒有了轉動,目前地球上幾乎所有的大陸都會被海洋所淹沒,這一點的確在電影當中有所提及,原因很簡單。在地球轉動的時候,因為離心力的緣故,作為液態的海洋會朝向赤道附近聚集,所以一旦地球停止轉動,這些水會向兩極流動,從而造成大陸被淹沒。根據美國ESRI公司的動畫模擬,最終幾乎所有的大陸都會被淹沒,只剩下赤道附近的一圈超級大陸凸顯出來,如果人類要想繼續在大陸上生存下去的話,這將會是唯一的一個希望,不過在電影當中,人類是移居到了地下生活。

值得指出的是,即使對於赤道附近的唯一大陸,也是充滿了很多危險。在轉動的時候,同樣是因為離心力的作用,地球的赤道地殼會顯得更為突出一點,然而在沒有轉動的時候,那麼赤道附近缺少離心力,所以很可能會導致板塊坍縮,從而引發一系列的全球地震或者海嘯。所以我們將很難看到那些完整保持的城市,不僅在地面上修建的那些行星發動機或許就很難存在了,而且居住在地下或許也非常困難的。

因為沒有了轉動,所以地球將會有固定的一面朝向太陽,另外一面而將一直處於黑夜當中,就彷彿我們在南極或者北極所經歷的極晝或者極夜那樣。盡管有地球大氣的存在,但是遠離太陽的一面,還是會因為長期得不到太陽的照射,從而溫度變得很低,不太適合生命的存在。

盡管我們對於磁場的產生機制並不是非常的清楚和確定,一種流行的說法就是因為地球外殼層和內核之間的轉速不同導致的。如果地球自轉停止,而且兩個區域都停止,那麼地球磁場有可能會突然消失。通常情況下,地球磁場的存在,它不僅僅能夠為我們指明南北方向,更重要的是磁場起到了保護作用,能夠將來自於太陽的帶電粒子屏蔽於地球大氣之外,從而太陽粒子很難直接穿過磁場,直接進入低層大氣,保護了地球大氣層不會丟失掉。不過這些帶電粒子會沿著磁力線向兩極運動,帶電粒子最終與大氣中的粒子相互作用,使得粒子發生激發,從而產生我們所看到的極光。而沒有了磁場,太陽風能夠不受任何阻礙,長驅直入進入地球大氣,從而在全球各個地方形成我們所說的極光,不過更為重要的是,地球大氣有可能逐漸損失掉。我們目前已經知道,現在的火星大氣目前僅僅是地球大氣質量的百分之一,然而在三四十億年之前,火星也像目前的地球一樣,有著海洋,有著濃厚的大氣,非常溫暖,非常適合生命的居住。然而就是因為後來火星整體磁場的消失,在太陽風的沖擊之下,火星大氣就逐漸逃逸到了太空當中,越來越少。如果地球沒有了磁場,那麼我們的地球也將經歷這樣的遭遇。目前,正是地球的磁場保護了我們人類,使得我們免受太陽風的沖擊。

電影當中展現了一個被冰雪封凍但保存完整的世界,所以我們通過上面的分析看到,如果我們能夠讓地球逐漸停止,那麼其實在地球逐漸停止的過程當中,地球已經就發生了巨大的變化,城市建築早已經在地殼的變化過程當中不復存在了,完全不是電影當中所展現的那樣。

  【脫離木星引力的方法合理嗎?】

整部電影所展現的一個主題就是如何擺脫木星的「剛性洛希極限「點。這其實就是「流浪地球計劃」的第三個「先流浪階段「。這里我們需要明白地球駛入木星周圍的原因。木星引力是如此之強,為何地球不躲著木星行駛?其實在電影當中,聯合政府本來想通過一種叫做引力彈弓(gravitational slingshot)的效應,使用木星對地球進行加速,沒想到部分行星發動機失效,導致地球被木星吸引而逐漸進入木星的剛體洛希極限,出現了電影當中所呈現的災難。其實引力彈弓效應在探測器飛行中被廣泛使用,通常被當做一種節省能源的加速方式,旅行者一號就是利用木星和土星兩次引力加速,才得以逃出太陽系。

這個效應的原理其實非常簡單,因為行星本身也在圍繞太陽轉動,所以當行星吸引探測器或者其它天體的同時,就實際上賦予了探測器或者其它天體一部分速度,當探測器或者其它天體逃離出去的時候,就相當於被加速了。我們可以舉一個簡單的類似例子來理解。如果我們站在靜止的地面上向運動的火車頂上扔一個網球,在網球被彈起來的時候,地面上靜止的人看到網球的速度,其實就是火車速度和網球原來速度的疊加。所以當天體從某個行星周圍逃離的時候,其實就是本來的速度和天體速度的疊加。

接下來我們再來簡單解釋一下電影中出現的另外一個燒腦名詞:剛體洛希極限。簡單說來,就是一個類似地球的岩質天體被木星的潮汐力撕碎的極限半徑。因為距離木星很近,在靠近木星和遠離木星的地球表面上會感受到不一樣的木星引力,我們把這種力的差別稱之為潮汐力。我們可以想像一下,距離木星越來越近的情況下,這種潮汐力會變得越大。在靠近木星一定距離時,大到一定程度時,整個地球就會被撕裂,這個特殊的臨界距離被科學家們稱之為剛體洛希極限。所以我們可以想像,一旦地球跨過了這個點之後,地球會被粉碎,地球上的人類肯定無一生存,流浪地球的計劃也將隨之破滅。而按照電影當中所言,這也是為什麼聯合政府看到地球即將跨過洛希極限點的時候,就已經打算放棄地球,而保留了太空站,讓太空站成為人類文明生存的諾亞方舟。

接下來再讓我們看一下電影當中讓地球擺脫木星引力的場景:在地球即將進入木星的洛希極限點之前,地面上的救援隊試圖用所有行星發動機的能量集中到其中一個,然後去噴射點燃木星的大紅斑,不過因為部分發動機沒有完全工作,所以總共7萬公里的距離還差5000公里才能得以點燃。在這涉及地球存亡的緊急關頭,吳京所扮演的宇航員劉培強駕駛著空間站在粒子流當中爆炸,空間站攜帶的巨大能源彌補了行星發動機的能量不足,最終木星大紅斑被成功點燃,產生劇烈的沖擊波,這股來自於木星的氣體巨浪將地球從木星周圍推走,避免了被木星引力撕碎的危險。木星大紅斑中的氫可能被點燃嗎?木星的氣體沖擊波真可能將地球推走嗎?簡單的答案就是這兩個情形都不太可能發生。如果要想讓大紅斑中的氫燃燒,需要地球有充分的氧氣混合。不是被木星吸積的地球大氣中包含有大量氧氣么?但是需要知道,即使包含有氧氣的地球大氣在吸積到木星表面的時候,因為時間很短很短,也不會和氫氣均勻混合,所以產生大規模燃燒的可能性非常小。假若可以燃燒發生爆炸,產生非常強的沖擊波,也不太可能對地球本身產生極大的影響。我們首先需要知道這個沖擊波是什麼?其實就是高速運動的氣體粒子,非常類似於來自於太陽的巨型爆發產生的太陽風。依靠燃燒氫氣釋放能量並不是一個有效的加速氣體的很好方式,最終的速度不一定有太陽風的速度快。即使快很多,當這些高速運動氣體抵達地球時,地球因為有磁場的保護,通常這些氣體並不會直接打到地球表面。即使這些粒子能夠穿透磁場,其實更多的作用將會是地球大氣的中的粒子相互作用,產生非常壯觀的極光現象,並不會產生很強的推力。這個沖擊波在一定程度上非常類似我們常說的一句俗語:蚍蜉撼大樹——自不量力。不過,如果所謂的沖擊波很強的話,地球大氣倒是很有可能被沖擊波部分剝離掉的。

當然地球在太空流浪的征途之後也並非一番風順,逃離木星洛希極限點也僅僅是萬里征途當中所碰到的一個小插曲而已,在前往比鄰星的路途當中,還有很長的距離等待著地球去走。木星軌道之外,有著包含冥王星的小行星帶,俗稱柯伊伯帶之外,最外層還有一個呈現為球形的奧爾特星雲,這些區域都布滿了大小不一、密密麻麻的小行星,而且這些區域的尺度非常大,尤其奧爾特星雲一直可以延伸到大約比鄰星距離的一半,所以地球在抵達比鄰星之前,如何安全地經過這些小行星帶,如何避免被小行星不斷相撞也是很有挑戰的。即使人類的技術能夠順利抵達比鄰星,根據科學家的研究發現,比鄰星的周圍並不適合生命的居住。比鄰星的質量只有太陽質量的七分之一,所以適合生命發展的宜居區也是距離中心恆星很近,劇烈的爆發有可能會將存在的生命殺死。而且在2016年的時候,科學家們在比鄰星周圍已經發現了一個位於宜居區內的行星,所以到時如何讓比地球精確的存在於宜居區的另外一個軌道上,而不與現有行星相撞,對於地球人類也是極大的挑戰。

無論如何,地球的流浪之路會是非常艱辛。不過我們需要知道,在整個人類面臨危機的時候,將地球整個當做一個飛船移走,是一個非常大膽且富有想像的想法,盡管從科學的角度來看,在可以預見的時期內,人類的能力無法實現。不過電影作為一門藝術,它不完全是生活或者科學的完全再現,所以盡管這部電影當中包含了許多不科學的想像,但是依舊需要我們為之鼓掌。科學是人類進步的動力,而想像則為人類進步指明了方向。作為中國第一部科幻大片,讓我們先去享受《流浪地球》電影帶給我們的欣喜。

  中國的科幻電影之路,也如中國的科學發展之路,路漫漫其修遠兮,還需大家共同努力。


Jr.AK:

地球之所以能夠被推動,其原因在於:

朵朵的真實身份其實是——魔法少女!

巴啦啦能量!

朵朵在最後關頭的呼喚,她體內的魔法力量覺醒了……

地球之所以能脫離木星引力範圍,全是朵朵的魔法!

所以說《流浪地球》就是一部大型硬核魔幻科幻交通安全宣傳片……


Aorqu用戶:

劉慈欣曾經對此問題的答案

劉慈欣在《流浪地球》:尋找家園之旅(《科幻世界增刊·30周年特別紀念》)中寫了創作感想

對於小說中的人類逃亡,從科幻或科學角度講,我是百分之百的飛船派,因為推進地球的能量絕大部分消耗在無用的荷載上,也就是構成行星的地殼內部的物質,這些物質最大的意義就是產生重力,但重力也可由飛船的旋轉來模擬。但從文學角度看,這篇作品的美學核心是科學推動世界在宇宙中流浪這樣一個意象,而飛船逃亡則產生一個完全不同的逃離世界的意象,其科幻美感遠低於前者。

  不過後來的一次經歷差點兒使這篇小說流產,那是我因公外出,第一次坐飛機,從萬米高空看大地時,仍然一點兒都覺察不出地球的曲率,行星的表面仍然是一個無際的水準面,推進這樣的世界簡直是痴人說夢


王嶺:

推不動。

地殼就是浮在地幔上面,你可以理解成一杯水上面飄著一層土。岩石看起來很硬,但尺度放大,就跟那一層土一模一樣。同理還有鋼鐵,小尺度下硬得不行,拉長到十米級別就軟得跟橡皮筋一樣。

尺度是最可怕的東西。所以真要像《流浪地球》那麼推,只能是把地殼壓碎,行星發動機沉入地幔。

大劉也說過,流浪地球計劃不可能。但是這個計劃炫酷啊。所以還是決定帶著地球一塊兒走。


木楓鈴:

這種事情,就跟幾千米高的人形超究極決戰兵器一樣,跟用無數鉚釘鋼板炮台結合在一起的蒸汽戰車一樣。

是浪·漫啊。


趙十三:

這可能性就和鋼鐵俠胸口那個能源可行性差不多


飛翔的王大鎚:


不再多事:

當時郭帆導演去中科院請教相關物理學專家,其中有位專家上來就把這個劇本否了,說這不可能,地球好比一顆雞蛋地殼就是那層薄薄的蛋殼,這么一推地球準保散了黃子……

郭帆導演說,您別這樣老師,您這樣我們這個項目就黃了啊,我們爭取在不合理上實現最大的合理,盡量不被證偽就可以了。(原話大體是這個意思)

當時看到這段把我笑的夠嗆,哈哈哈哈哈哈


異次元觀察者:

何苦呢,也沒見人非要論證奧特曼為什麼不把水泥地踩塌了啊


弗一:

我發現Aorqu里討論流浪地球的貼子,絕大部分都是基於現有科技水準和認知水準來進行計算和推導,然後揪出大劉的錯誤,批而駁之,一副眾人皆醉我獨醒的作派,不可思議!

科幻,不僅僅要有科學嚴謹的一面,更重要的是幻想浪漫的一面。不然科幻存在的意義何在?

流浪地球的故事設定時間長度是以千年計的,整個計劃時長是2500年,請大家不要忘記這一設定。想想看,別說2500年前人類的科技水準,就看250年前的1769年,中國還是乾隆年間,西方才剛剛改造完畢蒸汽機,剛剛進入工業時代。想想250年以來人類的進步吧,核技術有了,已經在攻堅核聚變技術,離無限能量僅一步之遙;生物技術有了,已經在編譯改造基因;計算能力已經進入千萬億次時代,通訊也即將邁進5G,微觀尺度,納米技術已經普及;宏觀尺度,引力波已經被偵測到……

想想吧,在人類歷史上,科技的發展速度是呈加速度狀態,下一個250年會發生什麼樣的科技突破?誰知道呢。何況是長達2500年的時間長河裡。現在通過計算,證明不能實現的,在科技進步這一大框架下,都會迎刃而解了。

所以,放棄偏見,流浪地球不完美,但確實是中國人在科幻電影的重要一步,給中國科幻這個蹣跚孩子一點扶助,而不要用挑剔的眼光視為妖怪, 一棒子打死!

流浪地球(這里特指電影)呈現給大家的,是完全有別於好萊塢套路的思維方式和價值觀,是遇到問題,先抓住一丁點希望,幹起來再說的勇氣和魄力。僅憑這一點,就應該點個大大的贊!

不說了,二刷去。


山賊:

基本所有計算模型當中都忽略了月球,這意味著不帶月球流浪,那麼,要先在月球上建立行星發動機,把月球推離地球軌道,放飛月球。考慮到工程難度,還是帶著月球流浪比較合適,那麼就要在計算當中把月球的質量算進去,也就是說,要推動的質量是地球的質量加月球的質量。


錢龍:

直接看看科學家怎麼說

硬核科幻《流浪地球》:停止自轉的地球真能去流浪嗎–撰文|苟利軍_永恆​blog.sina.cn

簡單說說:

即使人類掌握了重核聚變,也要挖掉10%的地球上的物質

不過從原理上,仍然是可行的


一棵蘆葦:

這是個科幻電影,既然是科幻,那就是現有的科技無法達到的,看到很多答案都在用本專業的知識去證明推地球不可能,大概這些同學是美式科幻的愛好者,覺得某一個學科的技術理論就能夠解決地球流浪的問題。然而正如電影里提到的飽和式救援、地球聯合政府,最終解決問題的不是個人英雄主義,而是集體努力。最重要的還是像鑽石一樣珍貴的希望。現實中如果真有那樣的一天,可能用自己的知識去證明推動地球不可能的精英就是小說中的飛船派,但一定會有很多「蠢貨」想推著自己的家園去流浪。

關於能量,整個地球加速到千分之二的光速所具有的動能是一個真正的天文數字。哪怕半個地球也是天文數字,現有的技術做不到,行星發動機也做不到,所以這才是科幻,所以就算是科幻,也還要去跟太陽碰瓷,去跟木星碰瓷,用彈弓效應偷能量。

關於加速度。地球有一個硬殼,但宏觀看也像是一塊豆腐。所以要推動地球只能緩慢溫柔的加速,不然地球會爆。物理上有體力和面力的說法。像重力磁力算是體力,就是物體上每一點同時受力。像彈力壓力這種力算是面力,物體的某些點受力,再通過傳導影響到整個物體。顯然體力受力均勻,更溫柔;而面力就更有破壞力。通俗一點解釋就是:受力面積小壓強大。電影里引力彈弓是體力,發動機是面力。

個人猜測為什麼只有一萬個發動機而不是整個北半球布滿發動機,除了技術和資源的問題,也是因為地球能夠承受的推力有限。而發動機的作用不完全是為了加速,更重要的是改變軌道,去接近合適的目標星球去碰瓷,用彈弓效應來加速,也不排除俘獲小行星去獲取額外的燃料。

科幻的樂趣不在於去論證什麼不可能,而在於怎麼去超越可能。


丟貓:

靠引力彈弓,地球脫離木星後還需要19km/s的速度完全擺脫太陽引力,等於我們要把地球從現在的30km/s加速到38km/s(軌道不變,不過實際上加速不可能這么均衡)。

以20年加速時間來算,加速度是1.35*10^-5,這個推力在地球半徑的圓上製造的壓強是7個標准大氣壓。

聚變發動機的受力部件是電磁約束線圈,線圈可以大面積平鋪。

地幔是固態。

我說完了。


朱耀華:

@POPO 邀:

「流浪地球」計劃當然不可行,你要令全人類35億人為幾百年後才發生的事犧牲。進行如此龐大工程?!想都不用想……

「火種計劃」 才是領導思維和可行……


邁充:

先讓杠精把地球翹起來,再把噴子們綁在一起,他們的噴力不比行星發動機小,這個方案我覺得可行


允文允武:

科幻片,展開來讀就是科學幻想片,用嚴謹的科學邏輯來驗證原本就是幻想的東西,豈不為人笑掉大牙?之所以劇組里有科學顧問是因為科幻很容易拍成魔幻,雷神如果沒有前陳的話,那它本身就是一個魔幻電影。所以這個問題就類似於我們討論數學中0的問題,是毫無意義的。再說得通俗一點,你只管看爽就行。

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