各位心心念的《流浪地球》在春节终于与我们见面了,中国第一硬核科幻,果然没有让大家失望!放心所长今天不剧透,只想聊一聊电影里的那些“黑科技”,看过的小伙伴如果这些你都不知道,这片白看!那接下来让我们一起恶补一下这部电影背后的知识点吧~

白看!这些黑科技都不知道,千万别说你看过《流浪地球》  第1张

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)。不过先别急着带地球搬家,我们先来了解一下太阳!


太阳是通过什么方式产生能量的?

太阳使用核聚变的方式,将分子量为1的氢原子核(实质上就是一个质子),经过3步中间过程,聚变成分子量为4的氦原子核。物质在核反应后的总质量均小于核反应之前,而损失的质量则转化成了太阳发光发热的能量,其基本原理可以用我们耳熟能详的爱因斯坦质能方程E=mc^2来描述。

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氢弹利用了和太阳相同的核聚变原理,一旦投放出去,就会在短时间内将自己的能量全部释放,是一种不可控的核聚变装置!而太阳,则已经稳定地进行了约46亿年的可控核反应,持续不断地用光和热哺育整个太阳系。那么,控制太阳不变成一颗氢弹的力量来自于哪呢?  

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其实,这种力量就是我们最熟悉的重力!量变会引起质变,聚合成质量相当于33万个地球的太阳的物质所产生的重力,已经足以控制住核反应。事实上,可以说是重力与核反应之间的相互作用主宰了太阳的生命印记。

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在太阳这样的恒星形成时,点燃核聚变靠的仅仅是重力的挤压。 当太阳已经是一颗成熟的恒星后,核反应的速率与恒星物质的重力达到了一种简洁又精巧的平衡。想向外扩张时后劲不足,想向里收缩时又会受到很大的抵触,因此会稳定在一个相对固定的个头上。

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太阳真的会终结吗?

如同人有生老病死一样,上文所说的这种平衡并不能天长地久,总有终结的一天。与人从衰老走向死亡的过程所不同的是,太阳生命终结的过程是丰富的、绚烂的、激烈的,在经历一系列膨胀、爆炸与脉动后,最终归于沉寂。

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研究计算表明,目前太阳的核反应速率大概比刚成为主序恒星时大30%,在55亿年后,不断加快的太阳核反应速率使得当时太阳辐射出的能量约已经是现在的2倍。

在如此剧烈的辐射照耀下,地球表面的温度将超过300摄氏度,海洋和湖泊中的液态水早已被汽化。以我们现在的认识,在这种环境下,包括人类在内的生物体都是无法生存的。

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而再往后,太阳中心区的氢燃烧殆尽,停止了氢聚变成氦的热核反应,变成了一个氦核。由于没有核反应对抗重力,恒星中心附近的物质开始向核心挤压,不断增高核心的温度。

距离核心较远的一些残存的氢在核心释放的高温作用下被点燃,太阳的外层不断向外膨胀,相继吞并水星与金星的轨道,并有可能吞没地球的轨道。此时的太阳已经退出了主序恒星的队伍,变成了一颗红巨星。

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接着,太阳进入了“内外两开花”的状态。除了外部的氢壳继续发生核聚变反应外,内核残存的氦在不断增大的温度作用下被“点燃”,发生了由氦剧变成碳的核反应。

在数分钟的时间内,相当于太阳质量40%的氦被剧烈“燃烧”成碳,释放的能量大致相当于太阳在当前状态下持续数百万年所释放的能量。

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这种现象被科学家们称为“氦闪”。之后,太阳在继续燃烧氦的同时,自身已经无法回到平衡的状态,不断地进行膨胀与收缩的交替,成为一颗脉动变星。

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(属于行星星云范畴的猫眼星云)


当氦也再次燃尽时,太阳的生命也就走到了尽头。太阳核心的物质将塌缩成一颗密度极高的白矮星,而外层物质则会向外扩张,形成行星状星云。

如何带着地球一起去流浪?

当几十亿年后的太阳走到生命的尽头,那个时候的人类该怎么办呢?真的能够像《流浪地球》一样,带着地球一起搬家吗?这里所长带大家简单了解下,《流浪地球》里的搬家计划究竟是怎么实施的~

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实施的方法,其实非常简单粗暴,用推进器直接推走~听起来,非常有战斗民族的美学风格,“只要推力够,板砖飞上天”。

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耗时几个世代,大兴土木,地球被装上了12000座行星推进器,每座推进器高达11000米。它们遍布整个北半球的陆地,使用一种称为重聚变的黑科技作为能源。

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我们都知道,地球是一个不断运动的物体,不但绕着太阳公转,而且也平均30千米/秒的线速度在自转。为了让地球脱离太阳系,首先需要将地球的自转“刹车”,这样才能让地球定向地加速。度过了几十年的“刹车时代”,直到地球停转之日,地球才可以正式开始跑路,逃离太阳系。

接下来,地球开始环绕太阳系里的各个天体,进行一种被称为“引力弹弓”的操作。通过快速地飞掠大质量天体,获得极大的加速度,用引力把自己甩出去。

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只有815千克的旅行者号,花费近半个世纪,才脱离太阳系的魔掌,换做地球这个庞然大物,消耗的时间,将以指数级增加!而且,对于地球来说,每一次飞掠,都是一次全球性的自然灾害。

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总而言之,带着地球搬家这事,很难很惨。不过,这也只是基于现在的科学观去畅想。未来,说不定又有什么新突破。反正所长也活不到那时候,就不多考虑啦~

为什么会选择木星?

人类造出的庞大的行星发动机,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,这实在是太漫长了!

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。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。

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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:

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感谢木星甘当人梯的奉献精神,地球获得了木星的轨道速度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。

影片中提到的洛希极限是什么?

洛希极限(Roche limit)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。

影片中,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。如下图:

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地木流体洛希极限模拟(二维简化模型)

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:

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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……

我们的征途是星辰大海,而我们历经磨难,也要带着地球踏上征途,或许就因为,这是我们的家。既然如此,在开始流浪之前,请对它再好一些吧。



转自花粉俱乐部-最in科技所