2019年被稱為中國(guó)科幻電影元年，原因自然是大年初一上映的電影《流浪地球》。作為首部改編自劉慈欣同名小說(shuō)的電影，新年期間票房大漲。這部電影雖然還有一些進(jìn)步空間，但總體來(lái)說(shuō)還是可取之處多于缺陷，為中國(guó)科幻樹(shù)立了新的標(biāo)桿。不過(guò)，很多朋友也表示，看完之后感覺(jué)需要補(bǔ)補(bǔ)物理課了。其實(shí)《流浪地球》里面的物理知識(shí)還是挺多的，看電影之前何不先學(xué)點(diǎn)預(yù)備知識(shí)呢？（不劇透，請(qǐng)放心觀看）
逃逸速度
說(shuō)到逃逸速度，我想大家肯定會(huì)想到高中物理里的第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度，忘記的同學(xué)可以在這里復(fù)習(xí)一下。第一宇宙速度是指航天器以地球引力作為向心力，繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)所需要的速度，也就是地面上的航天器剛好能繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的速度。第二宇宙速度是指航天器可以脫離地球的控制，成為太陽(yáng)的行星的速度。第三宇宙速度是指行星脫離太陽(yáng)的控制，飛向浩瀚宇宙所需要的最小速度。
流浪地球的逃逸速度指的是地球逃離太陽(yáng)系所需的速度，而不是航天器逃離太陽(yáng)所需的速度，因此其計(jì)算方法與第二宇宙速度類似。
如果讀者有興趣自己算一下，小編將八大行星的相關(guān)信息奉上，值得一提的是，八大行星并不是真正意義上的圓周運(yùn)動(dòng)，而是準(zhǔn)圓周運(yùn)動(dòng)。
汞 -
軌道周期約為88天；平均軌道速度：47.87公里/秒
金星 -
軌道周期約為224.7天；平均軌道速度為35.03公里/秒
地球 -
軌道周期約為365天5小時(shí)48分46秒；平均軌道速度：30公里/秒
火星 -
軌道周期約為686.98天；平均軌道速度為24.13公里/秒
木星 -
軌道周期約為11.86年；平均軌道速度為13.07公里/秒
土星
軌道周期約為29.6年；平均軌道速度為9.69公里/秒
天王星
軌道周期約為84.3年；平均軌道速度為6.8公里/秒
海王星 -
軌道周期約為165年；平均軌道速度為5.43公里/秒
有讀者可能還記得，第三宇宙速度是16.7km/s，地球自身的公轉(zhuǎn)速度已經(jīng)達(dá)到30km/s，已經(jīng)大于脫離速度了，為什么還在自轉(zhuǎn)呢？其實(shí)，這三個(gè)宇宙速度都是針對(duì)從地球發(fā)射的航天器而言的，它們的速度是相對(duì)于地球公轉(zhuǎn)而言的。如果我們以地球本身作為諾亞方舟脫離太陽(yáng)系，只需要瞬間加速到42.4km/s，與地球公轉(zhuǎn)的動(dòng)能相比，我們還需要獲得2.7倍的能量。
行星繞恒星做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由引力提供的，距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，太陽(yáng)對(duì)行星圓周運(yùn)動(dòng)的影響就越小，行星就越容易逃離太陽(yáng)！
說(shuō)到逃離太陽(yáng)系，我自然而然地想到了衛(wèi)星變軌。說(shuō)實(shí)話，地球逃離太陽(yáng)系的計(jì)劃和衛(wèi)星變軌差不多，不同之處在于衛(wèi)星加速后會(huì)進(jìn)入橢圓軌道，到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)后繼續(xù)加速進(jìn)入半徑較大的圓形軌道。地球要徹底逃離太陽(yáng)，需要一路加速到脫離速度。
恒星演化
所有恒星都是由氣體和塵埃云（通常稱為星云或分子云）的坍縮而誕生的。在數(shù)百萬(wàn)年的生命周期中，這些原恒星逐漸進(jìn)入平衡狀態(tài)，成為所謂的主序恒星。恒星的大部分生命都由核聚變提供動(dòng)力。恒星的壽命與其質(zhì)量密切相關(guān)。最初，能量是由主序恒星核心中氫原子的聚變產(chǎn)生的。后來(lái)，隨著核心中的大部分氫原子變成氦，像太陽(yáng)這樣的低質(zhì)量恒星開(kāi)始沿著核心周圍的球殼進(jìn)行氫聚變。這個(gè)過(guò)程使恒星逐漸變大。當(dāng)恒星核心中的氫燃料耗盡時(shí)，核反應(yīng)將無(wú)法繼續(xù)，核心開(kāi)始因自身引力而坍縮。恒星到達(dá)紅巨星階段，走向生命的終點(diǎn)。
一旦像太陽(yáng)這樣的恒星耗盡了核燃料，其核心就會(huì)坍縮成致密的白矮星，外層會(huì)形成行星狀星云，而內(nèi)核則會(huì)冷卻下來(lái)變成黑矮星。質(zhì)量至少為太陽(yáng)一半的恒星也會(huì)開(kāi)始通過(guò)核心中的氦聚變產(chǎn)生能量，像太陽(yáng)一樣，它們最終也會(huì)變成黑矮星。超大質(zhì)量恒星可以在一系列同心殼層中從核心向外聚變較重的元素，直到出現(xiàn) Fe。質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量十倍或更大的恒星將繼續(xù)發(fā)生核反應(yīng)，其核心將出現(xiàn)更重的 Fe 核。隨著 Fe 的積累，恒星將不再有任何元素可聚變，最終會(huì)爆炸成為超新星，而其惰性鐵核會(huì)坍縮成極其致密的中子星或黑洞。
重元素聚變
在《流浪地球》中，最引人矚目的，大概就是遍布半個(gè)地球的等離子發(fā)動(dòng)機(jī)了。推動(dòng)地球前進(jìn)，能量從何而來(lái)？影片給我們的答案是“重元素聚變”。要了解什么是“重元素”，首先要了解核聚變的概念。
核聚變又被稱為人類的“終極能源”，是指兩個(gè)較輕的原子核合并成一個(gè)較重的原子核，同時(shí)釋放出巨大能量的過(guò)程。核聚變中一個(gè)重要的概念叫“特定結(jié)合能”，核子（質(zhì)子或中子）結(jié)合成原子核時(shí)，會(huì)釋放出能量，每個(gè)核子釋放的平均能量叫“特定結(jié)合能”。圖中特定結(jié)合能最高位置對(duì)應(yīng)的元素為56Fe。質(zhì)量數(shù)較低的元素在聚變過(guò)程中會(huì)釋放能量，釋放的能量可用愛(ài)因斯坦質(zhì)能公式計(jì)算出來(lái)。
以氫的同位素氘為例，1升海水中氘聚變??釋放的能量相當(dāng)于300升汽油。如果只以海水中的氘來(lái)計(jì)算，全世界的海水可供人類使用幾億年甚至幾十億年。而氘聚變僅消耗1升海水中不到0.02%的重水。可以想象，如果能聚變更多的元素，所能釋放的能量將不可估量。
重元素聚變中的“重元素”其實(shí)是指除氫及其同位素之外的所有元素。當(dāng)然，如果要聚變釋放能量，所用元素的質(zhì)量數(shù)要低于56Fe，也就是所謂的“燃石”。如果重元素聚變真的能實(shí)現(xiàn)，改變地球的運(yùn)行軌跡，甚至讓地球在宇宙中長(zhǎng)久“流浪”都不再是夢(mèng)想。
不過(guò)，這里的重元素聚變其實(shí)隱含著一個(gè)條件，就是“可控”。就聚變而言，氫彈中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氘氚聚變。不過(guò)，氫彈的能量是瞬間釋放的，如果要作為燃料使用，就需要控制聚變反應(yīng)的速率，這對(duì)今天的人類來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。即便是最簡(jiǎn)單的氘氚聚變，我們也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的能量輸出。重元素聚變意味著原子核的質(zhì)量更高，電荷數(shù)更大，要求的條件也會(huì)更嚴(yán)苛，恐怕有生之年也只能在科幻小說(shuō)里看到。
重力彈弓
除了重元素聚變，另一個(gè)重要的能量獲取方式就是引力彈弓。“引力彈弓”可以簡(jiǎn)單理解為兩顆行星之間的彈性碰撞，通過(guò)碰撞將目標(biāo)行星的能量傳遞給地球，只不過(guò)這種行星碰撞是由引力引起的。以下是維基百科的引力彈弓示意圖
圖中，由于目標(biāo)恒星的質(zhì)量遠(yuǎn)大于地球，所以向地球傳遞的速度是2U。實(shí)際的引力彈弓過(guò)程比這復(fù)雜得多。地球在引力作用下的軌跡應(yīng)該是雙曲線，所以實(shí)際的偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)該嚴(yán)格在0到180度之間高中物理地球密度，傳遞的速度會(huì)小于2U。比如只能偏轉(zhuǎn)90度，得到的最大速度只有U。
其實(shí)對(duì)于引力彈弓來(lái)說(shuō)，在同樣的速度下，最近經(jīng)過(guò)的距離越近，偏轉(zhuǎn)角度越大，獲得的能量也越多。可以證明，在高速的情況下，獲得的能量只和最近經(jīng)過(guò)的距離有關(guān)。直觀上也容易理解，引力彈弓的加速度是靠引力傳遞的，距離越近，引力越大，但在實(shí)際的加速過(guò)程中，距離越近越好。這就涉及到另一個(gè)概念：洛希極限。
洛希極限
洛希極限可能是《流浪地球》中大多數(shù)人聽(tīng)過(guò)最陌生的名詞了。顧名思義，這是法國(guó)物理學(xué)家愛(ài)德華·洛希計(jì)算出來(lái)的極限。其意義在于，當(dāng)兩個(gè)天體之間的距離小于洛希極限時(shí)，較小的天體會(huì)被較大天體的引力撕裂。
之所以有這樣的限制，是由于潮汐力的作用，這里的潮汐不是指海洋的潮汐，而是指小天體受到的不均勻引力。
由于引力與距離的平方成反比，距離大天體越近的一端引力越大高中物理地球密度，反之，距離大天體越遠(yuǎn)的一端引力越小，兩端引力的差值就是潮汐力。不僅如此，距離大天體越近，潮汐力就越大，當(dāng)距離達(dá)到洛希極限時(shí)，潮汐力就等于天體本身的引力，再靠近一點(diǎn)，就會(huì)被撕裂。
或許你會(huì)奇怪，為什么我們?cè)谌粘Ｉ钪袕奈匆?jiàn)過(guò)其他物體被地球潮汐力撕裂的現(xiàn)象呢？這是因?yàn)槲覀兩磉叺奈矬w一般都是靠化學(xué)鍵結(jié)合在一起的，化學(xué)鍵的強(qiáng)度非常大；而大部分天體則是靠引力結(jié)合在一起的。雖然我們身邊的物體非常的堅(jiān)固，但是從宏觀上看，地球的完整性還是靠引力維持的。就像木桶效應(yīng)一樣，正是鍵的最薄弱部分決定了地球的洛希極限，當(dāng)達(dá)到引力洛希極限時(shí)，地球最薄弱的部分就會(huì)最先坍塌，分解成作用力更強(qiáng)的小天體。土星環(huán)的形成，就是因?yàn)橥列堑囊λ毫蚜艘恍┬⌒行牵@些小行星的碎片就構(gòu)成了土星環(huán)。而且，在浩瀚的宇宙中，引力并不總是一個(gè)弱的角色，比如在黑洞周圍，潮汐力就非常強(qiáng)，即使是靠化學(xué)鍵結(jié)合在一起的物體，在黑洞的引力下也會(huì)被撕裂成碎片。
但由于洛希極限的精確計(jì)算十分復(fù)雜，所以我們?cè)谟?jì)算中一般采用剛體洛希極限和流體洛希極限。一般來(lái)說(shuō)，小天體在接近過(guò)程中會(huì)受到潮汐力的拉伸，使得近端和遠(yuǎn)端的引力差進(jìn)一步增大。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)小天體不會(huì)受到潮汐力的牽引而發(fā)生變形，則可得剛體洛希極限。流體洛希極限則假設(shè)天體在牽引過(guò)程中為理想流體，計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，一般為剛體洛希極限的兩倍左右。一般天體的洛希極限介于剛體和流體之間。
總結(jié)一下：在引力彈弓的加速過(guò)程中，為了獲得最多的能量，地球應(yīng)該盡可能靠近，但由于洛希極限的存在，地球也不能靠得太近，最理想的距離是在流體洛希極限之外。但單次引力彈弓所獲得的能量也是極其有限的，而且會(huì)改變地球的軌跡，需要路線與引力彈弓極其一致。小編認(rèn)為，如果真想在宇宙中“遨游”，引力彈弓只能作為輔助，如果人類掌握了受控核聚變，從其他星球獲取材料作為聚變?nèi)剂蠎?yīng)該是更穩(wěn)定的方案。