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來源|揚子晚報、科普中國、南方日報、知局等
點擊查看：《流浪地球》原著小說全文
近日，一位父親給女兒手繪了6張《流浪地球》的講解圖，引起網友熱議並紛紛點贊。
的確，不少觀眾在看完電影后覺得摸不著頭腦，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。
“這恰恰是《流浪地球》的價值所在，在孩子心中播下科幻的種子”。
2月8日，網友@卡卡西啦啦在論壇發佈了老同學看完流浪地球后給他女兒做的6張講解圖，一時引發眾多評論和轉發。
“用心”“點贊”“優秀父母”……不少網友在評論中給這位父親豎起了大拇指，並表示也要說給自己孩子聽。
@冬瓜戰士OP：點贊點贊，真的有耐心還有學識。
@可愛雞：可以的！小孩子理解不理解，理解多少沒關係，至少興趣培養起來了。
@他就是這樣踢球的啦：先不說電影小孩子能理解多少？對她而言，這才是最正確地打開方式！
@WSCC：不管怎麼說這都是好事，提高小朋友對物理，對科研的興趣，總比沉迷在吃雞，和流量明星中好得多
@yys0206:別的不說，兩個字送給你，用心。優秀父母。
@統計初段：你這老同學算“劇透”嗎？不過我要這個來給我小孩講，太詳細了！
@威斯意志：留個爪，感謝樓主！！準備講給兒子聽。
專家解讀 《流浪地球》裡的科學奧秘
南京航空航天大學理學院副教授李晉斌
關於引力彈弓
“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公里。但劇中人類造出了同樣龐大的行星發動機，足以在5年左右將地球推進到逃逸太陽引力的最低速度，即16.7公里/秒。這個速度相當於復興號列車速度的200倍。即便是如此高的速度，相對於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！於是人類想到了藉助木星的“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”號探測器了，它於1997年10月15日從地球發射前往目的地——土星，但只帶了很少的燃料。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，又於1999年8月18日利用了地球的彈射，後於2000年12月30日利用了木星的彈射，最終於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。但如果這個球拍向著來球方向移動，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”號飛船到達米勒星球，這就需要降速c/3，他採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。
關於重聚變發動機
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“大傢伙”——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。每臺發動機能提供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臺，總共能提供150萬億噸的推力，如此大的動力方可在5年左右將地球推進到逃逸太陽引力的最低速度，即16.7公里/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，這也是太陽產生能量的主要方式。人類能做到的還只是利用氫原子進行的不可控核聚變（氫彈），但氦並不是核聚變的終點，氦可以繼續聚變生成碳，碳繼續聚變生成硅，即氦–4→碳–12→硅–28。硅當然也不是核聚變的終點，大質量恆星後期的聚變反應就是“重聚變”。從“硅”開始大質量恆星“重聚變”過程是：硅–28→硫–32 → 氬–36→鈣–40→鈦–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，所以重聚變最後產生的廢渣就是鐵。“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“硅”。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。至於如何實現可控“重聚變”，那就是科學家而非科幻小說家的任務。
特別關注
太陽變為紅巨星？50億年後再說！
李晉斌特別補充，太陽變為紅巨星只是《流浪地球》中的一個假設。現實中的太陽按照恆星正常的壽命，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恆星系星球。所以大家不必杞人憂天，還是應該珍惜當下。
分享：《流浪地球》裡的科學奧秘
《科普中國》特別給大家整理了以下出現在《流浪地球》中的重要知識點，一起惡補一下這部電影的一些奧秘吧。
以下由清華大學航天航空學院工程力學系在讀博士，中國科幻銀河獎/星雲獎獲獎作者：木辛君 撰文、《流浪地球》作者：劉慈欣 審核。
01
為什麼要去木星？
故事背景是這樣的：太陽急速老化，不斷膨脹，太陽系已經不適合人類生存，於是人類為自己選了一個新的家園——比鄰星（半人馬座三星）。
比鄰星同太陽一樣，都是恆星，但質量只有太陽的八分之一。
地球是個龐然大物，半徑6371公里，重達59萬億億噸。但人類造出了同樣龐大的行星發動機，足以在5年左右將地球推進到逃逸速度（脫離太陽引力的最低速度）。
行星發動機示意圖
但這個速度還遠遠不夠。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！
即使行星發動機繼續加速，達到光速的百分之一仍然不可行。於是人類想到了藉助木星的“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。
那為什麼行星發動機不能加速到百分之一光速呢？這是因為行星發動機的能量來自“重元素聚變”。
02
重元素聚變有什麼限制？
所謂重元素聚變並不是什麼稀奇玩意兒。在宇宙深處有不少恆星“巨無霸”，內部就在進行著重元素聚變。
重元素聚變的質能轉換效率是相當低的。最樂觀估計，地球要達到逃逸速度，也必須燒掉7億億噸的石頭，相當於把全球的地面挖掉40米做為燃料；要達到光速的百分之一，則必須削去地殼的一半。
如果無法靠自己的力量推動地球，那就藉助精巧的軌道計算，利用天文尺度的力量——萬有引力。於是人類將目光投向木星，這就是電影前半段上演的。
03
木星的引力彈弓是怎麼回事？
航天中存在引力彈弓現象，利用它，可以令航天器零消耗低改變方向、提升速度，送達目標軌道。
引力彈弓一般發生在一對重量相差懸殊的天體之間。這裡我們用木星（紅色球）和地球（藍色球）舉個例子，如圖a和圖b所示。
地球以速度V靠近木星，而木星在軌道上以速度U運行↓↓↓
圖 a 引力彈弓的示意圖
足夠靠近後，地球被木星引力抓住，牽引，優雅地轉體半周，然後像擲鐵餅那樣甩出去↓↓↓
圖 b 引力彈弓的示意圖
感謝木星甘當人梯的奉獻精神，地球獲得了木星的軌道速度U，疊加上原有的速度V，速度增加到了U+V。地球的速度和能量都增加了，卻沒有消耗任何燃料，就奔著新家園去了。
但如果變軌時離一顆巨行星太近的話，這趟“觀光旅行”可就要不怎麼愉快了。
04
靠近木星時，行星發動機大批熄火
當地球靠近木星時，人類突然遭遇了巨大危機：數千臺行星發動機故障熄火了，全球地震，火山爆發，岩漿吞沒了地下城……
圖中紅線部分為長城
為什麼幾千臺發動機會同時熄火呢？為什麼地震、火山都趕在這個時候來湊熱鬧呢？這一切災難的根源是“洛希極限”，簡單說就是地球離木星太近了，太近會發生什麼呢？
05
超過洛希極限會發生什麼呢？
洛希極限（Roche limit）是天文學中的一個特殊的距離。當兩個天體的距離少於洛希極限時，它們就傾向於被“潮汐力”撕碎。
計算表明，地球和木星的距離如果低於10.3萬公里，那麼大氣就會在潮汐力的作用下脫離地球；如果距離低於7.44萬公里，那整個地球都會被撕碎。
潮汐力有多可怕，我們拿一個茶壺和茶杯舉例子：
圖 c 用來演示潮汐力的茶杯
我們在杯壁頂部倒一些水，讓它在重力作用下向著杯底滑落。越靠近杯底，水滴會越拉越長，最後被拉扯到了撕裂的極限。這個極限就可以被認為是這個茶杯對水滴的“洛希極限”。
木星的引力場，實際上就是這樣一個“茶杯”。地球尺寸很大，當它靠近木星時，離木星較近一側受到的引力，將比較遠一側大得多，因此會像水滴一樣被逐漸撕裂。
《流浪地球》電影中，地球已經到達了地木“流體洛希極限”（地木距離10.3萬公里）。在此處，液體和氣體不再能被地球引力束縛，而傾向於逃逸；而岩石還勉強能憑藉自身的硬度堅持一會兒↓↓↓
圖 d 地木流體洛希極限模擬(二維簡化模型)
再靠近木星一點，地球將進入地木“剛體洛希極限”（地木距離約7.44萬公里）。在此處，就連堅硬的岩石都會被引力差撕碎，地球將徹底解體↓↓↓
圖 e 地木剛體洛希極限模擬(二維簡化模型)
可以想象《流浪地球》中，人類面臨的是怎樣的絕望了。太靠近木星不行，那樣會被潮汐力撕碎；太遠離木星也不行，那樣無法藉助引力彈弓變軌……
06
好的科幻對科學有指向意義
限於時間和篇幅，在此只能對《流浪地球》中兩個關鍵情節的科學背景進行討論。實際上電影中涉及的科學知識非常多，設定詳實，且高度融入劇情。
最重要的是，它們引出了很多值得思考的問題。從這個角度看，一部好的科幻電影真的能開啟觀眾、尤其是孩子們的想象力與求知慾。好的科幻作品，尤其是硬科幻，對於科學是有比較強烈的指向意義。
. End.
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