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《流浪地球》热映 媒体揭影片中科学漏洞
www.bcbay.com | 2019-02-14 17:09:53  多维 | 0条评论 | 查看/发表评论

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  《流浪地球》在中国热映,票房已超过20亿元人民币

  中国科幻电影《流浪地球》成为春节档的票房赢家。有数据显示,《流浪地球》在中国大陆的累计票房收入已超过25亿元人民币。

  伴随着电影的热播,与电影有关的科学问题引起了热烈的讨论。

  中国财新网2月12日在发表文章中提出,到底《流浪地球》中的情节有科学依据吗?跟其他经典的科幻电影作品相比,它在科学上更“硬核”吗?

  文章通过影片的故事情节,从科学的角度分析:地球会不会被太阳吞噬?让地球停止自转可行吗?靠冲击波能否逃离木星?比邻星是不是理想的新家园?等一系列问题。

  文章最后指,科幻电影是电影艺术与科学元素的有机结合。《流浪地球》中的科学元素被广泛讨论后,有不少声音认为不应完全用科学的严苛标准来要求科幻电影。但不可否认的是,科幻电影中对科学元素应用得恰当与否,与大众对电影的评价高低有着难以分割的关系。

  “给科幻大片挑bug:《流浪地球》中的科学漏洞”全文。

  科幻电影《流浪地球》成为春节档的票房赢家。依据猫眼电影网站发布的数据,截至2019年2月12日17时,《流浪地球》在中国大陆地区上映8日的累计票房收入达到约25.15亿元人民币(1元人民币约合0.15美元)。被称为硬核科幻电影的《流浪地球》,改编自著名科幻作家刘慈欣的同名科幻小说。

  电影设定在2075年前后,彼时因太阳的急速膨胀,太阳系已不适合人类生存。为了摆脱走向灭亡的命运,人类启动“流浪地球”计划,在地球表面建造了一万座行星发动机,将地球变成一个巨大的宇宙飞船,载着人类文明开始了长达2,500年的太空流浪之旅。在“驾驶”地球在太空中寻找新家园的路上,人类试图利用木星实现“引力弹弓”加速,却因行星发动机故障,导致地球被木星吸引而面临被毁灭的风险。在生死存亡的时刻,位于地球和空间站上的人类联手展开自救,并成功引燃木星大红斑中的氢,将地球推离木星,人类成功脱离险境。

  伴随着电影的热播,与电影有关的科学问题引起了热烈的讨论,到底《流浪地球》中的情节有科学依据吗?跟其他经典的科幻电影作品相比,它在科学上更“硬核”吗?

  地球会不会被太阳吞噬?

  在美国航天局(NASA)发布的一篇名为“太阳有多圆?”(How Round is the Sun?)的文章中,太阳被描绘为一个由热等离子体与磁场交织而成的理想球体。这颗质量约为地球的33万倍的恒星,质量的四分之三都是氢,除去氧、碳、氖、铁和其他重元素占去的少于2%的质量,剩余几乎都为氦。在它的体内核聚变无时无刻不在发生,进而向太空释放光与热。影片《流浪地球》中,故事的起源与这颗为地球万物生长提供光与热的恒星密切相关。在其中,太阳已度过青壮年期——主序星阶段,即将进入红巨星的膨胀阶段。红巨星是恒星燃烧到后期所经历的一个较短的不稳定阶段,可以理解为恒星的老年期。红巨星时期的恒星表面温度相对很低,但体积非常巨大。

  科普公号“赛先生”上发表的文章“流浪是地球无法逃脱的宿命吗?”介绍了太阳的能量来源:在引力的作用下,聚集物持续收缩,中心温度不断上升,并导致了核聚变的发生。四个氢原子核聚合在一起,发生核聚变反应,最终变成一个氦原子核。

  据中科院等离子体物理研究所官网,核聚变的过程伴随着明显的质量亏损,依据爱因斯坦质能公式E=mc?,核聚变反应过程中出现的质量亏损会转化为巨大的能量。而在上世纪五十年代,地球上已经实现了核聚变反应,这就是在短时间内将自身能量全部释放的氢弹爆炸过程。然而这是一种不可控的核聚变装置,只有可控的核聚变反应,才对人类社会生产生活具有意义,这也是目前科学家一直试图寻找可控核聚变装置的原因所在。

  被称为“人造太阳”的中科院合肥物质科学研究院的超导托卡马克(EAST),是当下科学家利用磁约束控制核聚变的一种尝试。不过,虽然全球科学家已形成了国际热核聚变反应堆计划(ITER),但托卡马克仍处于原理试验阶段。“其中核反应所释放的能量能够将核反应本身维持一百多秒已属不易。”哈尔滨工业大学博士后李会超在“中国科普博览”公号上发文称。

  然而在太阳中,人类目前仍难以控制的核聚变反应却与太阳自身的重力间形成了微妙的平衡,促使太阳稳定地进行了约46亿年的可控核聚变反应,为太阳系持续提供光与热。李会超在文中介绍太阳内部的这种平衡时称,“如果太阳从平衡态向外膨胀,中心受到的挤压减小,核反应的速率将会降低,产生的能量将会减少,恒星中心的温度将会降低。这样,恒星中心向外膨胀的力无法支撑恒星向中心收缩的重力,膨胀过程无法持续”。反之亦然。也就是说,太阳在步入壮年时期后,向外扩张的后劲不足,向内收缩又会遭遇较大阻力,所以在核聚变和自身重力的双重作用下,太阳的体积便相对固定了下来。

  科学家将处于这一阶段的恒星称为“主序恒星”。恒星通常在星云的气体或尘埃坍缩中诞生,并在漫长的时空中达到平衡状态,成为主序恒星。在恒星的大部分生命周期中,它们都在通过核聚变产生能量。然而,当恒星核心的氢通过核聚变形成氦,并积累得越来越多时,恒星的体积也随之逐渐增大,离开主序带。不同质量的恒星会走向不同的结局。如太阳未来会膨胀成一颗红巨星,而远大于太阳质量的恒星则可能爆炸为超新星,或者塌缩为黑洞。超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。

  伴随着太阳中心区的氢燃烧殆尽,太阳中心区的核聚变反应逐步停止,太阳的中心区变成了一个氦核。李会超在文中解释道,缺少核聚变反应与重力对抗,恒星中心附近的物质开始向核心挤压,导致太阳核心温度不断升高,而距离核心较远的一些残存的氢在高温下被点燃,驱动太阳的外层不断向外膨胀,最终相继吞并水星与金星的轨道,并有可能吞没原本距离太阳表面1.5亿千米的地球轨道。

  影片中还出现了一个烧脑的科学概念——“氦闪”。这是在太阳成为红巨星后,其内核约占太阳质量40%的氦因不断升高的温度,在数分钟内燃烧形成碳的过程。这一过程会释放出巨大的能量,“大致相当于太阳在当前状态下持续数百万年所释放的能量”,李会超在文中解释称。而科学家认为,等不到氦闪出现,在太阳成为红巨星之前,地球就已经“被烤成一片不毛之地”。

  不过,国家天文台研究员苟利军表示,太阳至少在未来50多亿年内都是相对稳定的。换言之,地球并不会真的如电影中所表现的,在21世纪下半叶就因太阳膨胀遭遇灭亡危机。

  让地球停止自转可行吗?

  《流浪地球》的故事设定中,地球的流浪之旅包含五个阶段。首先,通过转向发动机让地球停止自转,这被称为“刹车阶段”;其次,在“逃逸阶段”启动地球推进发动机,让地球脱离自身轨道;再次,在“先流浪阶段”利用太阳和木星引力完成加速;之后,用500年时间将地球加速到光速的千分之五,即1,500千米/秒的速度,并滑行1,300年,在接近目的地比邻星时,再用700年的时间减速,这被称为“后流浪阶段”;最后,地球成功泊入比邻星轨道,进入“新太阳时代”。

  这是一个历时2,500年的富有想象力的恢弘计划,但在现实中,无论是让地球停止自转,还是带着地球在太空流浪,都需要巨大的能量做支撑,而故事中所设定的行星发动机并不足以提供实现上述计划的能量。

  公开信息显示,地球的旋转动能是2.138×10^29焦耳。苟利军在“中科院国家天文台”官方公众号发文对这一数字解释称,地球的旋转动能“大约相当于1万亿(1×10^13)个大伊万的氢弹同时爆炸”。大伊万氢弹是前苏联实验的释放能量最强的氢弹,公开信息显示,美国曾估算其爆炸当量为6,700万吨TNT。

  影片中,为了让地球停止转动,人类在地球表面建立了一万个行星发动机,其中位于赤道的部分行星发动机用于减速。苟利军解释称,如果按电影所说,每个行星发动机通过重核聚变产生150万亿吨的推力,应用到地球的质量上,只能产生0.00000025米/秒2的加速度。地球赤道附近的转动速度约为460米/秒,这意味着,大约需要60年才能让地球停下转动的脚步。

  公开信息显示,刘慈欣在谈及原著对行星发动机的设计时也曾坦言,当时将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,而依据计算的结果,“发动机只能给地球零点(N多个零)几的加速度,别说航行,改变轨道都不可能”。

  此外,电影里在地球流浪进程中发挥重要作用的行星发动机,所依托的是重核聚变技术,这项技术在科学家眼里也不具备影片情节的理论和实现条件。中国工程物理研究院研究员蒙大桥在接受《科技日报》采访时对这一技术解释称,重核元素只能分裂生成两个轻于母核的元素,比如,铀-235裂变成质量为95-105的元素。他解释称,在现代核物理框架下,90号以上的元素有裂变趋势,10以下的元素有聚变趋势,而重核发生聚变目前缺乏理论和实现条件。

  此外,让地球停止自转不仅是一项难以完成的任务,更有可能给人类带来毁灭性打击。苟利军称,美国ESRI公司曾做过相关模拟,一旦地球停止自转,除赤道附近外,所有的大陆都会被海水淹没。

  苟利军在文中还提到地球停止自转的另一风险——失去地球磁场的保护。他指出,地球磁场可以将太阳的带电粒子屏蔽于地球大气层之外,但停止自转的地球磁场有可能会突然消失。失去磁场的保护,太阳风将长驱直入进入地球大气层,让大气在其冲击下逐渐被损失掉。科学家认为,火星从有海洋、大气、适宜生命生存的环境演变成如今的模样,就是因为火星磁场的消失使得火星大气在太阳风的冲击下逃逸到了太空。

  靠冲击波能逃离木星?

  影片中,为了获得逃离太阳系的加速度,地球的流浪路线被设定为一个较为冒险的轨道——飞往木星以期通过“引力弹弓效应”为地球加速。也就是在这一过程中,地球因面临被潮汐力撕裂的危险险些走向毁灭。

  所谓“引力弹弓”事实上已经是很成熟的技术,在现实的航天活动中早已得以应用。1959年,前苏联的月球3号探测器飞过月球南极,借助月球引力绕到月背拍下了第一张月背照片。NASA发射的旅行者1号也是在飞掠木星和土星时实现加速,最终得以逃出太阳系。

  木星是太阳系内最大的行星,其质量相当于317.8个地球,而体积相当于1,321个地球。木星轨道的近日点距离太阳约7.4亿千米,而地球与太阳的平均距离约为1.5亿千米。因此,即使忽略地球和木星的公转,从地球出发最近也要走大约5.9亿千米的路程才能到达木星。2011年NASA发射的木星探测器“朱诺号”,历经5年的飞行才进入木星轨道。

  影片中,地球在靠近木星时,表面架设的行星发动机突发故障,致使地球在木星引力的作用下向木星加速靠近,二者间的距离逼近“洛希极限”。

  洛希极限是法国天文学家洛希提出的使卫星解体的极限距离。在影片中,洛希极限便是地球被木星潮汐力撕碎的极限距离。依据洛希极限的原理,当地球和木星的距离越来越近时,靠近木星和远离木星的地球表面受到的木星引力会产生很大的差异,这种差异便被称为潮汐力。潮汐力大到一定程度时,地球就会面临被撕裂的危险。

  为了在到达洛希极限距离之前逃离木星,电影中,地面救援队试图集中所有行星发动机的能量至一点,喷射点燃木星的大红斑,但最终因距离过远未能成功。最终,是吴京扮演的宇航员驾驶空间站在木星粒子流中爆炸,点燃了木星大红斑,并产生剧烈的冲击波,帮助地球摆脱了木星引力的控制,远离了木星。

  大红斑是木星上最大的风暴气旋,也是木星的特征性标志。苟利军在科普文章中称,电影中木星大红斑中的氢被点燃,以及由此产生的气体冲击波将地球推走,这两种情形都不太可能发生。因为大红斑中的氢需要与氧均匀混合,才能大规模燃烧。影片中,木星虽然从地球大气中吸走了氧气,但并没有足够的时间与木星大红斑中的氢混合。即使大红斑中的氢成功被点燃,由此产生的冲击波也不可能对地球产生如影片中将地球推离木星的影响。苟利军分析称,冲击波其实就是高速运动的气体粒子,因为地球有磁场的保护,这些粒子并不会直接打到地球表面,即使粒子穿透了地球磁场,更多也是与地球大气中的粒子相互作用,产生壮观的极光现象,却不会产生很强的推力。

  比邻星是理想新家园吗?

  影片中,流浪地球的最终归宿为比邻星。那是一个距离太阳系仅为4.2光年的恒星系统,也是距离太阳系最近的恒星。从天文学的角度看,它与太阳系的距离如同是一座房子与“自家后院”的距离,但即便如此,按照当下最快的宇宙飞船的速度,飞往比邻星仍需17万年。

  比邻星位于半人马座天区,是一颗三合星,即由三颗恒星组成的一个天体系统。这一天体也是刘慈欣的科幻小说《三体》的切入点。

  2016年,欧洲南方天文台发现了一颗围绕比邻星公转的行星,并且该行星还位于比邻星的宜居带上。在宜居带,行星与恒星保持着最合适的距离,恒星向行星传递的热量最为适宜,既不会过冷也不会过热,适宜的温度方便水以液态形式存在,也为生命的存在提供了相对适宜的条件。

  不过在科学家看来,被科学幻想赋予期望的比邻星不仅过于暗淡,而且具有很强的不稳定性,很难称得上是一个理想的家园。国家天文台星云计划研究员李然在“科普中国”公众号发表文章称,比邻星只有太阳质量的十分之一,只能勉强达到核心发生核聚变的标准,而这样的恒星会展现出很大的不稳定性,表现为爆发“高频率的恒星耀斑”。

  在天文观测史上,太阳耀斑也时有发生,但这一般只是对地球环境带来一些扰动,出现地球电离层异常吸收的问题,对地球无线电通讯带来干扰。不过,比邻星轨道上的耀斑爆发,却可能带来灾难性后果。“这是因为比邻星太过暗淡,地球如果要想充分接收比邻星的能量,让冰冻的海洋融化,需要非常靠近比邻星,其轨道距离只有目前日地距离的1/20。”李然在文中解释称。所以他认为,比邻星可以成为流浪地球的“一个中途补给站”,却无法成为久居之地。

  著名物理学家斯蒂芬·霍金生前曾十分支持“突破摄星计划”(Breakthrough Starshot)。该计划设想将几克重的自动化太空探测器加速到光速的五分之一,使其能在20多年的时间内飞到比邻星。不过,以当下的技术水平,这仍是一个难以完成的任务。

  科幻片难免的科学漏洞

  科幻电影是一种以建立在科学上的幻想情景为基础而展开叙事的作品,是电影艺术与科学元素的有机结合。《流浪地球》中的科学元素被广泛讨论后,有不少声音认为不应完全用科学的严苛标准来要求科幻电影。但不可否认的是,科幻电影中对科学元素应用得恰当与否,与大众对电影的评价高低有着难以分割的关系。而被媒体称为“开启中国科幻电影元年”的《流浪地球》,也难免被拿来与《太空漫游2001》《火星救援》《地心引力》《星际穿越》等经典科幻电影相比较。

  无论是《流浪地球》中的领航员号,还是《星际穿越》里的永恒号,其环形的设计与美国著名导演库布里克的经典科幻电影《太空漫游2001》中的“发现号”飞船有着异曲同工之处。这是为了让飞船自旋产生的向心力模拟地球重力,让飞船上的人可以摆脱失重状态,像在地球上一样生存。著名火箭工程师冯·布劳恩就曾设计出这样的航天器模型,但世界至今上还没有航天机构制造出这样的结构。不过实际上,当人处于高离心力的环境中时会感到眩晕,失去方向感,并不能很快适应。所以在《太空漫游2001》里,宇航员们并不会像在地球上生活一样自在。这也是这一经典科幻影片中极少的科学漏洞之一。

  和《流浪地球》主角们一样需要在恶劣的星球环境下生存的,还有2015年上映的好莱坞电影《火星救援》中的宇航员。美国影星马特·达蒙饰演的这一角色因为一场巨大的风暴被孤零零地留在火星上,不得不开始在火星上种植土豆维生。这也是影片中最大的科学谬误所在。真实的火星表面因为大气稀薄,气压还不到地球表面的百分之一,并不足以产生如此猛烈的风暴。但这并不意味着火星表面就十分平静。平均每3个火星年就会发生的全球性尘暴一旦席卷地面,细小又带有微静电的火星沙尘极易吸附在物体表面。这无论对人还是科学仪器来说,都会是巨大的挑战。

  在2013年的美国电影《地心引力》中,两名宇航员正在执行维护哈勃太空望远镜的任务,但突然遭遇被导弹击毁的卫星碎片,不得不前往国际空间站避难。然而事实上,哈勃太空望远镜的轨道高度为540千米左右,而国际空间站在距离地面400千米左右的轨道上运行,宇航员既不可能看到国际空间站,更不可能在太空中跨越140千米前去避险。此外,国际空间站的运行速度是7.66千米/秒,在这样的高速运动中,单靠喷气装置加速的宇航员是无法搭上“车”的。

  诺兰导演的《星际穿越》在2014年上映之后就一直因为精湛的视觉效果和诺贝尔奖得主基普·索恩作为科学顾问的过硬科学背景,而受到科幻迷的称赞。不过,影片中仍然存在着一些科学上可推敲之处。例如,一些科学家质疑,电影主角登上了一颗在黑洞附近由于强烈的时间扭曲导致表面一小时等于地球上七年的行星,而在这样的距离上,它早就应该被黑洞的潮汐力所摧毁。即使行星在黑洞的洛希极限之外,但黑洞的潮汐锁定也会导致行星表面存在两个巨大的、相对静止的海水鼓包,而不是周期性的巨浪。此外,美国《天空与望远镜》杂志主编罗伯特·奈耶指出,主角最后遭遇的黑洞吸积盘并没有显示出红蓝变化的多普勒效应。由于吸积盘围绕黑洞高速旋转,看上去应该是一侧红而暗淡,另一侧蓝而明亮。

  寻找适合人类生存的新空间,一直是科幻电影青睐的主题之一。既往的科幻作品中,人类离开地球踏上寻找新家园的影片不在少数。而刘慈欣所设想的带上地球去寻找适宜恒星,为此类作品开拓了一个新的想象空间。不过,从科学的角度来看,带球流浪比离开地球谋求文明的延续更困难。苟利军告诉财新记者,带着地球去流浪,比星际穿越要更加艰难,他更倾向于认为未来人类有可能利用有强大理论基础的“虫洞”实现星际穿越,寻找到新的适合人类生存的星球。虫洞是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道,爱因斯坦等科学家认为,透过虫洞可以做瞬时的空间转移或时间旅行。

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