吴京电影《流浪地球》需脑补的科普知识【2】

沽俯在线 2020-02-12

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上一篇笔者向读者科普了《流浪地球》这部电影基于的10个基本的科学原理,包括了天文、气象地理、物理动力学、化学等方面的科学知识。



想了解影片中人类为何要把月亮抛弃并推动地球逃离太阳系,以及逃离中的地球如何利用引力弹弓效应通过木星的加速作用到达远日点,同时地球表面发生的一些气候变化的原因(影片中人类躲到了地下城中),请关注“爱玩码”公众号浏览昨日的科普短文。那么今天笔者接着科普一下《流浪地球》影片中其他鲜为人知的知识点。

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知识点11:地球发动机的燃料是什么?

在小说原著和电影中均未交待所谓“重聚变发动机”的准确定义到底是什么,不过在原著中倒是对这种发动机有句简单的解释:“利用岩石中的硅元素进行核聚变反应,获得高能高压的等离子流。

所以说,可以将这种发动机理解为一套巨型的核聚变离子脉冲推进系统。而在现实中,这种发动机是真实存在的,而且和电影中一样,也会喷出淡蓝色的光焰(等离子流)。


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知识点12:除了流浪地球,还有什么其他生存方案吗?

在过去的几十年内,人类对于系外行星的探索突飞猛进,在天文台望远镜和太空卫星望远镜的帮助下,人类已经找到了10+颗类地行星。相较于原著中提到的流浪目的星系,这些行星与地球的距离可以说那是相当遥远了。


星际的遥远距离的旅行需要的能源和飞船的飞行速度,是限制我们驶向太阳系外的最大瓶颈。按照人类目前制造最先进飞船能够达到的最大速度,我们大约需要至少上万年时间才能到达一个已发现的最近的类地行星。而将整个地球推到其他星系的想法听来的确新颖而大胆,但可行性基本等于零



2018年离世的斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)生前启动的突破摄星计划(Breakthrough Starshot)曾为人类星际飞行注入一丝希望。他设想将几克重的探测器利用电磁波的粒子性推动探测器,在短时间内加速到1/5光速,使其在20多年的时间内飞到比邻星周围。但是,这样的加速技术需要大量能量,在接下来的几十年之内估计都很难实现。更别提将地球推离现有轨道到达系外空间中去。



从目前来看,人类移民到太阳系之外最有希望的一种可能途径,就是发现或创造空间虫洞这玩意还能创造呢?没错,请自行百度“费城实验”),就如同电影《星际穿越》(Interstellar)为我们呈现的那种高维空间的通道。尽管现实中科学家还未发现虫洞的存在证据,但空间虫洞的存在有着坚实的理论基础。也许在未来某一天,凭借科技的发展进步,我们能够发现虫洞并利用其作为空间旅行的工具,就如同地铁一样安全可靠,实现人类的星际穿越的梦想。倘若人类拥有了虫洞穿越技术,在地球遭遇宇宙灾难之时,人类便无需流浪整个地球,只需通过虫洞到达充满氧气、水的新星球就可以了。


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知识点13:半人马座比邻星是什么?

小说原著中提到流浪地球的目的地是半人马座的比邻星,半人马座,在中国只有南方几个省份在春天的晚上才能看到。


座内有两颗亮星,α星中国古代称为南门二,视星等为-0.27m,是全天第三亮星; β星古称马腹一,视星等0.61m,为全天第十一亮星。这两颗星离得很近,中国古代合称它们为“南门双星”,14世纪郑和下西洋时,曾用它们来导航。南门二是一颗三合星,它的一颗11m的伴星(比邻星)离我们只有4.2光年,是距离太阳系最近的恒星。


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知识点14:现实中移动地球有多难?

电影中,为了能够推动地球逃离太阳系(摆脱氦闪的威胁和太阳膨胀),大陆板块建造了上万台超级聚变地球发动机,每座发动机达11公里,所有发动机共能产生1500000亿吨的推力。


严格来讲,力的单位要以牛顿计量,换算一下,大概是150亿亿牛顿。而我们赖以生存的地球的总质量大约为6亿亿亿千克。根据牛顿第二定律,能轻松计算出,发动机喷射等离子流产生的推力,推动地球的加速度大约为0.000000025倍的地球表面重力加速度(G),如同蜉蝣撼大树,根本无法推动地球。



刘慈欣也曾后悔说:“当时没有经验,竟把地球发动机的具体参数全部详细列出,详细到可以很方便地直接计算地球得到的加速度,计算的结果是:发动机只能给地球零点(N多个零)几的加速度,先别说航行,改变轨道都不可能”。

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知识点15:木星大红斑中的氢可能被点燃吗?木星的气体冲击波真可能将地球推走吗?


在地球即将进入木星的洛希极限点之前,地面上的救援队试图用所有行星发动机的能量集中到其中一个,然后去喷射点燃木星的大红斑,不过因为部分发动机没有完全工作,所以总共7万公里的距离还差5000公里才能得以点燃。在这涉及地球存亡的紧急关头,吴京所扮演的宇航员刘培强驾驶着空间站在木星中爆炸,空间站携带的巨多燃料弥补了爆炸触发的限制条件,最终木星大红斑被成功点燃,产生剧烈的冲击波,这股来自于木星的气体巨浪将地球从木星周围推走,避免了被木星引力撕碎的风险。


答案是,这两个情况都不太可能发生。如果要想让大红斑中的氢燃烧,需要地球有充分的氧气混合。有人问了,不是被木星吸积的地球大气中包含有大量氧气么?您首先需要知道,即使包含有氧气的地球大气被木星引力在吸到木星表面时,因为过程时间很短,并不会和氢气均匀混合,所以产生大规模燃烧的可能性非常小。



假设可以燃烧发生爆炸,产生的气体爆炸冲击波,也不太可能对已被木星引力捕捉的地球逐渐靠近产生结果改变。


我们首先需要理解这个冲击波是怎么来的?其实就是因为氢气和氧气混合达到一定比例点燃爆炸,短时间内产生大量热量和高速运动扩张的水蒸气,非常类似于来自于太阳的活跃周期产生的太阳风。那么您见过太阳风把哪个行星或者说彗星吹跑的新闻吗?


当爆炸的波(气体波)到达地球时,将与地球大气的中的粒子相互作用,并不会产生很强的推力。这个冲击波对地球轨迹的影响,我们可以用杯水车薪来形容。


另外,木星是气态行星,你看到的上图中木星上色彩斑斓的纹路,那其实都是木星上的狂风沙尘暴。地球大气被吸到木星表面时,会被大量的木星表面“土著”气旋风暴所稀释。再回想一下初中课本上学的,地球空气中,氧气仅占21%的体积,感觉是稀释中的稀释了呢。



还没完,还记得我们上一篇文章中提到的木星引力吗?其中讲到了,影片中台词提到的木星的“眼”,也就是大红斑,可以装的下三个地球,那么大概换算一下,大红斑能装下几百几千几万的大气层总气体量呢?有兴趣的读者可以自己计算一下。现实中靠地球损失的部分大气层中的氧气与木星表面的氢分子点燃爆炸所产生的冲击波改变地球被木星捕获相撞的结果愿景,就如同向太平洋里丢了一根燃烧的火柴想把整个太平洋的水煮沸一样。



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今天就先讲以上5个基本知识点,明天爱玩码公众号接着啰嗦一下《流浪地球》。同学们可以拿着小本记下来,有不懂的欢迎在文章底部评论提问。那么接下来曝一下制作《流浪地球》的一些幕后鲜为人知的秘密:


  • 《流浪地球》是导演郭帆历时4年创作打磨的个人首部科幻电影;

  • 作为国内第一部大成本科幻片,《流浪地球》前后共制作3000张概念设计图,8000张分镜头画稿,使用10000件道具,进行了100000延展平米实景搭建,整个电影制作团队达到7000人

  • 《流浪地球》原本定于2018年暑期上映,但后来吴京参演并投资6000万后,剧组有了钱之后又继续拍摄了地下城、空间站等部分。    


最后揭露一下影片中的一个bug大概第二十分钟左右,镜头转向从太空中观察地球。此时地球接近木星,但尚未被木星引力捕获。这可能是全片最后一张“正常”地球的照片,只见蓝天白云与一万台行星发动机交相辉映,南半球某地的白云集结成一股成熟期的旋风,像一朵盛放的莲花...

此时的地球应该是停止自转的状态并且全球气温处于低温状态(-83℃),从地理气象学出发,地球上不可能再出现如图中规模的气旋(或者你也可以理解为这是台风)。

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