最近幾天上映的國(guó)產(chǎn)首部“硬科幻”電影《流浪地球》，可以說是拍出了科學(xué)知識(shí)，拍出了情懷，得到了觀影者的一致好評(píng)?！读骼说厍颉肥歉鶕?jù)著名科幻文學(xué)作家劉慈欣的同名小說改編的，在這部小說中，大劉用到了非常硬核的一些涉及物理學(xué)、天文學(xué)的知識(shí)。在這里，我為大家解讀一下。
1、重聚變發(fā)動(dòng)機(jī)（重原子聚變發(fā)動(dòng)機(jī)）
電影中最惹人注目的，就是這些重聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，高度達(dá)11公里，比珠峰朗瑪峰還高2.2公里。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)能提供150億噸的推力，而這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)在歐亞大陸和美洲大陸總共有一萬(wàn)兩千臺(tái)（小說設(shè)定），總共能提供150萬(wàn)億噸的推力。
重聚變，顧名思義，就是由重原子進(jìn)行的核聚變。目前人類能做到的，還只是利用氫原子進(jìn)行的不可控核聚變（氫彈）。而小說和電影中利巖石為主要燃料進(jìn)行核聚變，則需要更大的溫度的壓強(qiáng)才能實(shí)現(xiàn)。我們地球上巖石的主要成分是“硅”。根據(jù)天文學(xué)的研究，大質(zhì)量恒星后期的聚變反應(yīng)就是“重聚變”。從“硅”開始大質(zhì)量恒星“重聚變”過程是：硅–28 → 硫–32 → 氬–36 → 鈣–40 → 鈦–44 → 鉻–48 → 鐵–52 → 鎳–56。在這個(gè)聚變過程中，釋放出大量的能量，比氫彈爆炸釋放的能量多太多了。
當(dāng)然，核聚變走到鐵這一步，就不再釋放能量，而是吸收能量。所以重聚變最后產(chǎn)生的廢渣就是鐵。
正是有了重聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，才能讓“流浪地球”計(jì)劃成功，因?yàn)閹r石在地球上到處都是，提供了無(wú)窮無(wú)盡的燃料。
然后，光有重聚變發(fā)動(dòng)機(jī)還是不行的，必須還要應(yīng)用到下面這項(xiàng)技術(shù)。
2、無(wú)工質(zhì)推進(jìn)
“灼熱的颶風(fēng)夾著滾燙的水沫，在林立的頂天立地的等離子光柱間瘋狂呼嘯” ---劉慈欣《流浪地球》
要知道，我們目前的火箭技術(shù)都是工質(zhì)推進(jìn)。也就是火箭燃料在燃燒室內(nèi)經(jīng)過燃燒后向后噴出，讓火箭獲得一個(gè)反方向的推力。但是，我們不得不承認(rèn)，這種方式的效率是非常低的，需要燃燒相當(dāng)多的燃料，而且燃料本身的重量也要消耗火箭發(fā)射的能量。那么有沒有效率更高的發(fā)動(dòng)機(jī)呢？
我們從高中物理學(xué)中學(xué)到：
m1v1=m2v2
通俗的講，就是火箭噴出物質(zhì)速度越快，火箭獲得的推力就越大，同時(shí)消耗的燃料就越少。那么無(wú)工質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的是什么呢？是電磁場(chǎng)加速后的等離子體，這種物質(zhì)的噴射速度最高能達(dá)到500公里每秒，在未來(lái)甚至更高，最高上限是30萬(wàn)公里每秒。目前液體火箭噴射燃料的速度也不過4.5公里每秒。也就是說，同等條件下，無(wú)工質(zhì)推進(jìn)是目前火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的100倍效率。
因此在無(wú)工質(zhì)推進(jìn)的高效率之下，才能讓地球節(jié)省了這些巖石燃料。否則，按照常規(guī)推進(jìn)模式，把半個(gè)地球當(dāng)燃料燒了，也不夠這一萬(wàn)兩千臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)把地球推動(dòng)逃離太陽(yáng)系。
3、霍曼轉(zhuǎn)移軌道
“地球的變軌加速就這樣年復(fù)一年地進(jìn)行著。每當(dāng)?shù)厍蛳蜻h(yuǎn)日點(diǎn)升去時(shí)，人們的心也隨著地球與太陽(yáng)距離的日益拉長(zhǎng)而放松；而當(dāng)它在新的一年向太陽(yáng)跌去時(shí)，人們的心一天天緊縮起來(lái)。 ” ---劉慈欣《流浪地球》
在電影和小說《流浪地球》中，地球逃出太陽(yáng)系，并不是跟扔標(biāo)槍一樣一下子飛出去，而是采取了轉(zhuǎn)圈扔鐵餅的方式。先把地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)的軌道由圓形改為橢圓形，這里就牽扯到了霍曼轉(zhuǎn)移軌道的概念。
霍曼轉(zhuǎn)移軌道（Hohmann transfer orbit）是一種變換太空船軌道的方法，途中只需兩次引擎推進(jìn)，相對(duì)地節(jié)省燃料。此種軌道操縱名稱來(lái)自德國(guó)物理學(xué)家瓦爾特·霍曼。
霍曼轉(zhuǎn)移軌道不是最省時(shí)間的方法，但卻是最省燃料的方法。而把地球軌道從圓形變成橢圓形，目的是為了獲得一個(gè)沖向木星的路徑和速度，以便利用木星的引力加速，最終逃出太陽(yáng)系。
當(dāng)然，像地球這么大的星體，僅進(jìn)行一次橢圓軌道繞日是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在原著中，地球總共進(jìn)行了15次橢圓形公轉(zhuǎn)，每次的橢圓形都比以前更扁一些，其目的還是為了節(jié)省燃料。
4、木星引力
“按照預(yù)定的航線，地球升向與木星的會(huì)合點(diǎn)。航行委員會(huì)的計(jì)劃是：地球第15圈的公轉(zhuǎn)軌道是如此之扁，以至于它的遠(yuǎn)日點(diǎn)到達(dá)木星軌道，地球?qū)⑴c木星在幾乎相撞的距離上擦身而過，在木星巨大引力的拉動(dòng)下，地球?qū)⒆罱K達(dá)到逃逸速度。 ” ---劉慈欣《流浪地球》
人類歷史上有過利用木星引力的先例，七十年代發(fā)射的旅行者一號(hào)和二號(hào)探測(cè)器，就是利用了木星的引力，最終達(dá)到了離開太陽(yáng)系的逃逸速度。在原著中，質(zhì)量是地球318倍的木星，用引力將地球朝著自己拉扯過去，在這過程中地球獲得了一個(gè)很大的逃逸速度。但是人們擔(dān)心地球最終會(huì)和木星相撞。不過，請(qǐng)放心，在科研人員的精確計(jì)算之下，地球最終和木星擦肩而過，以更快的速度逃向太空深處。
5、氦閃
“我的眼睛突然什么都看不見了，幾秒鐘后，視力漸漸恢復(fù)，冰原、海岸和岸上的人群又在眼前慢慢顯影，最后完全清晰了，而且比剛才更清晰，因?yàn)檫@個(gè)世界現(xiàn)在籠罩在一片強(qiáng)烈的白光中，剛才我眼睛的失明正是由于這突然出現(xiàn)的強(qiáng)光的刺激。 但星空沒有重現(xiàn)，所有的星光都被這強(qiáng)光所淹沒，仿佛整個(gè)宇宙都被強(qiáng)光融化了，這強(qiáng)光從太空中的一點(diǎn)迸發(fā)出來(lái)，那一點(diǎn)現(xiàn)在成了宇宙中心，那一點(diǎn)就在我剛才盯著的方向。 太陽(yáng)氦閃爆發(fā)了。 ” ---劉慈欣《流浪地球》
最最關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)來(lái)了，氦閃。這種現(xiàn)象發(fā)生在0.8個(gè)到2.25個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星身上。當(dāng)恒星內(nèi)部氫元素燃燒殆盡，導(dǎo)致氦元素在恒星的核心大量積累，密度增加。在外部壓力的作用下，氦元素以簡(jiǎn)并態(tài)的方式存在著。當(dāng)核心內(nèi)部溫度達(dá)到一億K到兩億K時(shí)，氦聚變開始了，由于簡(jiǎn)并態(tài)傳導(dǎo)的速度很快，幾秒鐘之內(nèi)核聚變就在整個(gè)氦核心中發(fā)生，并使恒星產(chǎn)生千億倍于正常恒星的能量。然后恒星核心里的氦絕大部分在這幾秒內(nèi)聚變?yōu)樘荚?。氦閃結(jié)束后，恒星內(nèi)部引力收縮和核聚變壓力重新得到了平衡，內(nèi)核收縮，外殼膨脹，恒星膨脹為紅巨星，變的更大。如果按目前太陽(yáng)的體積和質(zhì)量，紅巨星階段的太陽(yáng)，體積會(huì)包住地球，邊界到達(dá)火星附近。
不過諸位請(qǐng)放心，太陽(yáng)立即變?yōu)榧t巨星，只是《流浪地球》中一個(gè)假設(shè)?，F(xiàn)實(shí)中的太陽(yáng)按照恒星正常的壽命，50億年之后才會(huì)變?yōu)榧t巨星。那時(shí)候人類大概已經(jīng)移民到其他恒星系星球。所以大家不必杞人憂天，該吃的吃，該喝的喝，該玩的玩。珍惜當(dāng)下，建設(shè)國(guó)家。
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