2019年2月5日《流浪地球》上映。這部由劉慈欣小說《流浪地球》改編的同名電影，5天累計票房達到了16億元，成為名副其實的首部國產科幻大片?！傲骼说厍颉闭娴目赡馨l生嗎？明知靠近木星有危險，為什么地球還要走這條路？帶著種種疑問和思考，讓我們一起走進《流浪地球》背后隱藏的科學奧秘。
為什么要去木星？
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，于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，都是恒星，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。于是人類想到了借助木星的“引力彈弓”，令地球零消耗改變方向、提升速度，最后到達比鄰星。
為什么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”。
重元素聚變有什么限制？
所謂重元素聚變并不是什么稀奇玩意兒。在宇宙深處有不少恒星“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，相當于把全球的地面挖掉40米作為燃料；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，那就需要借助精巧的軌道計算，利用天文尺度的力量——萬有引力。于是人類將目光投向木星，這就是電影前半段上演的。
木星的引力彈弓是怎么回事？
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。這里我們用木星（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
足夠靠近后，地球被木星引力抓住，牽引，優雅地轉體半周，然后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”可就要不怎么愉快了。
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，巖漿吞沒了地下城……
為什么幾千臺發動機會同時熄火？為什么地震、火山都趕在這個時候來湊熱鬧？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。太近會發生什么呢？
超過洛希極限會發生什么呢？
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于洛希極限時，它們就傾向于被“潮汐力”撕碎。
計算表明，地球和木星的距離如果低于10．3萬公里，那么大氣就會在潮汐力的作用下脫離地球；如果距離低于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，最后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，而傾向于逃逸；而巖石還勉強能憑借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，就連堅硬的巖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，那樣無法借助引力彈弓變軌……（作者：木辛君 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／星云獎獲獎作者；本文審核：劉慈欣 高級工程師，科幻作家，中國作協會員，小說《流浪地球》作者、電影監制；本專欄與“科學加”客戶端合作建設 內容來源：“科普中國”微信公眾號）