理科生終於哭了！《流浪地球》竟隱藏了這麼多高考考點，是魔鬼嗎？

原著科普背景

瞭解劉慈欣的原著背景是看懂流浪地球的第一步，原著中這樣寫：

太陽老化，科學家通過各種數據得出太陽短時間內會產生鉅變，形成駭閃，地球會毀滅。面對這種情況，為了應對危機，人類內部產生兩種不同意見，地球逃生派和飛船逃生派。

地球派主張以整個地球為載體，在世界各地建造核聚變大功率發動機；飛船派主張建造城市那麼大的宇宙飛船進行跑路。最終因為生態系統循環穩定性等原因（一個飛船的生態系統不足以維持數十代人的生存與延續），地球派得到大部分人的支持，全球開始建造地球發動機。

先利用赤道發動機反向噴射停止地球自轉，再開動全部發動機讓地球加速至逃逸速度脱離太陽系，開始流浪。流浪的最終目標是離太陽系最近的比鄰星系的合適軌道，這個流浪過程要經歷幾十代人。

地球剎車停轉時，地球日落了三天三夜，主角降生，在十多年後，地球開始加速圍繞着太陽繞圈，期間主角經歷了地球在近日點的全球恐慌、經歷了火山爆發導致地下城被岩漿侵蝕（母親死亡）、經歷了地球穿越小行星帶時地球艦隊用反物質炸彈轟擊小行星的場面（父親死亡）。最終地球繞日軌道進行運行至木星附近時，在木星強大的引力下的反作用，最終脱離太陽引力，地球全面加速。

多年後，地球已經逃出太陽系，然而太陽還是沒有什麼異常變化。這時候很多人開始懷疑太陽駭閃毀滅地球的説法，認為這是聯合政府搞獨裁，以一個騙局來統治倖存的人類。這種説法得到越來越多的人相信與支持，人類開始暴亂推翻聯合政府。（主角妻子死亡）反政府組織最終推翻了聯合政府，把聯合政府的高層全部處決在遙遠的太陽餘暉下。

就在此時，太陽駭閃爆發了，吞沒了整個太陽系的空間……結尾處，倖存的地球人類繼續操控着地球在宇宙中飄蕩，主角已經做了爺爺，他的後代，以及後代的後代，接下來數十代人都要繼續保持這樣的生活，直到比鄰星的光輝重新照耀地球。

相關知識背景景

氦閃太陽

太陽是以內部氫核聚變方式向外發光發熱的，當內部的氫元素消耗得差不多的時候，內部的高温高壓會激發氦元素的聚變，這個時候的太陽就會發生氦閃，説白了就是太陽老了，自爆了。

原著：“太陽內部氫轉化為氦的速度突然加快，太陽的演化已向主星序外偏移，氦元素的聚變將在很短的時間內傳遍整個太陽內部，由此產生一次叫氦閃的劇烈爆炸”。

意思就是太陽加速衰老，氦閃之後，太陽將變為一顆巨大但暗淡的紅巨星，結果爆炸之後還膨脹了，到時候體積龐大到能把地球都吞了。

事實上用不着太陽吞地球，氦閃之時地球已被汽化了。這就是《流浪地球》中給地球裝發動機的原因。

地球如何逃離太陽的毀滅

這是電影對原著設定最大的“省略”之處。

你以為裝上發動機就可以讓地球直線逃離嗎？並不是，行星這樣的“越軌”，也要符合軌道動力學，太陽也是有引力的，所以會用到變軌加速。

因為地球發動機沒那麼大勁兒，它只能給地球很小的加速度，不能把地球一下子推出太陽軌道，在地球離開太陽前，還要繞着它轉15個圈！在這15個圈中地球慢慢加速。而且速度越快，這圈就越扁，所以地球有時離太陽會很遠，有時候會很近。

原著中當地球運行到近日點的時候，就會有地球要被太陽吞併的陰謀論，導致全球人心惶惶，東半球大陸上草木生煙。電影開場一家人在海邊的場景，電影世界觀中是地球啓航之前的故事，而在原著中來源於地球運行到遠日點頂端那一天，地球人如同過年一樣，因為這時地球距太陽最遠，人們都有一種虛幻的安全感。

原著中塑造了一個對太陽感動恐懼的氛圍，開始發生的時間，主角出生在地球剛剛停止轉動之際。書中表示，地球光是“自轉剎車”就用了42年，然後圍着太陽繞圈加速。地球剎車之後，圍繞太陽的轉圈，到第15個公轉軌道時，最後一次通過近日點時候，主角已經結婚了，東半球將迎來兩千五百年的黑夜，然後在遠日點才到達了木星軌道。

引力彈弓

電影中最讓人難懂的之處，地球為什麼會被木星引力捕捉，這裏就是引力彈弓效應。

引力彈弓（又名引領助推）就是利用行星的重力場來給太空探測船加速，將它甩向下一個目標，也就是把行星當作“引力助推器”。

這有點類似離心力，以飛行器為例，飛往內行星，朝向太陽就可以獲得加速度；而飛往外行星的飛行器，就算有着火箭助推器，由於是背向太陽飛行的，要抵抗太陽引力，故其速度會逐漸降低。

（這也是原著中為什麼地球要繞太陽15個圈，而且“圈”越來越扁的原因，否則速度不夠，根本到達了不了木星軌道）

所以在飛行器朝着內行星飛時（如金星，水星不行，因為這行星沒有大氣層），是要利用該原理減速。

而朝着外行星飛時，是要加速。飛行器第一次從遠距離接近行星時，在軌道速度之下，利用火箭助推器，最終產生超越軌道速度的動能，產生的運動效果就像該飛行器被行星反彈開了。

這一連串動作，叫做行星引力輔助變軌。通俗的來説，假如軌道行星是一個黑幫老大，跟上我的速度才能入夥，來了之後就老老實實當我的小弟（衞星），一旦你速度太快超了我，就趕緊滾，有多遠滾多遠。。。

人類歷史上很多飛行器都是這樣完成的，比如水手10號，它於1974年2月5日經過金星，經過引力助推減速之後到達水星，否則因為太陽引力，速度太快就直接“跑過了”。還有卡西尼號探測器，兩次飛掠過金星，之後又途經地球、木星，最終才到達了土星。

《流浪地球》把飛行器換成了地球，原理不變，只是要想讓地球發動機助推器產生的動能完全超越太陽引力，就必須借用木星這個大塊頭，把地球反彈出去。

引力彈弓就是利用行星的重力場來給太空探測船加速，將它甩向下一個目標，也就是把行星當作“引力助推器”。

利用引力彈弓使我們能探測冥王星以內的所有行星。在航天動力學和宇宙空間動力學中，所謂的引力助推（也被稱為引力彈弓效應或繞行星變軌）是利用行星或其他天體的相對運動和引力改變飛行器的軌道和速度，以此來節省燃料、時間和計劃成本。

引力助推既可用於加速飛行器，也能用於降低飛行器速度。

影片中，地球為了逃離太陽系，設定了一個飛往木星的冒險軌道，差點毀掉地球。這種冒險的原因是為了利用木星給地球加速。這種加速的方式俗稱引力彈弓（gravitational slingshot）或者叫引力助推（gravity assist）。這樣地球就獲得了木星的軌道速度，再加上原有的速度，速度增加到了二者之和，地球的速度和能量都增加了，卻沒有消耗任何燃料。

其實不僅在“流浪地球”計劃中使用這個原理使得地球加速，在2007年7月6日，旅行者1號距離太陽154.4億公里（103.2天文單位），它在經過木星和土星時通過引力助推獲得了足以完全擺脱太陽引力的動能。目前是距離地球最遠的人造物體，位於太陽系和星際空間之間的邊緣帶。

例題：

木星引力

木星的引力比地球強2.5倍，因為體積太大，能夠牽引太陽系包括地球在內的其它行星，這意味着木星將與地球和地球軌道發生交互作用，比如地球四季就是因為木星引力的作用。感謝木星巨大的引力，使得很多小行星和彗星的軌道在木星引力的作用下發生偏轉，保護地球免受撞擊。

電影中的原理，就是要利用木星的引力把地球吸過去，只要飛得足夠快，並且算好角度，就會得到巨大的加速力：“我們的星球也在木星表面拉起了如山的液氫和液氦的巨浪。這時，木星巨大的引力正在把地球加速甩向外太空。”

可惜問題就出在了“沒有算好”，原因還在於速度不夠，沒跑成功。就像月球一樣，人家原本沒打算成為地球的衞星，就因為被地球引力“捕捉”到了，才成為地球的衞星。但電影中的問題比較嚴重，因為木星引力太大，地球距離木星太近，差點超越洛希極限。

洛希極限

電影中沒有解釋這個名詞，實則不應該，但這個詞聽上去很高深莫測，但其實很簡單的。洛希極限是指當行星與衞星距離近到一定程度時，潮汐作用就會使天體本身解體分散。

舉個例子，地球和木星的距離為洛希極限時，地球自身的重力和木星造成的潮汐力相等。如果它們的距離少於洛希極限，地球就會傾向碎散，繼而成為木星的環，沒錯，土星的環就是這樣來的。

它以首個計算這個極限的人愛德華·洛希的名字命名。

所以，地球飛過木星的時候，不能靠的太近，太近了超過洛希極限，地球就會崩了。但是離太遠的話，引力又不太夠，會達不到衝出太陽系的第三宇宙速度。只能拐回來繼續繞太陽，所以冒險接近木星，是地球殺出太陽系的唯一一條路。（只要我跑的夠快，木星能幫我讓太陽抓不到我）

原著中，離開木星時，地球已達到了逃逸速度，它不再需要返回潛藏着死亡的太陽。

可見，洛希極限就是末日的臨界點，在電影中充當了電影中常見的“倒計時爆炸”功能，知道這一點足矣。

太陽產生能量的方式

1945年，美國相繼向日本投下了兩顆原子彈，徹底馴服了法西斯野獸。美國白宮在事後發表的聲明中義正言辭地説，原子彈將“太陽釋放能量的力量降臨到把戰爭帶給遠東的人”。

從感情上講，這句話給終結二次世界大戰的這次轟炸增添了幾分替天行道的意味，再合適不過了。但從科學上講，這句話存在些許的偏差。和廣島長崎的原子彈一樣，太陽釋放能量依靠的也是核反應。然而，原子彈使用的是重元素的核裂變，即一個分子量較高的元素通過鏈式反應，裂變成分子量較小的元素。

説簡單一些，就是一個大原子核裂變成幾個小原子核。而太陽則走了一條方向相反的技術路線。太陽使用核聚變，將分子量為1的氫原子核（實質上就是一個質子），經過3步中間過程，聚變成分子量為4的氦原子核。無論是核裂變的大核變小核，還是核聚變的小核變大核，物質在核反應後的總質量均小於核反應之前，而損失的質量則轉化成了原子彈爆炸或者太陽發光發熱的能量，其基本原理可以用我們耳熟能詳的愛因斯坦質能方程E=mc^2來描述。

太陽進行核聚變的三步鏈式反應。圖片來源wikipedia

牛頓第二運動定律的常見表述是：物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質量成反比，且與物體質量的倒數成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。

該定律是由艾薩克·牛頓在1687年於《自然哲學的數學原理》一書中提出的。牛頓第二運動定律和第一、第三定律共同組成了牛頓運動定律，闡述了經典力學中基本的運動規律。

為了移動地球，地球人建造了萬台超級聚變發動機，每座11公里高，總共能產生150萬億噸的推力，約為150億億牛頓。地球的質量大約6億億億千克，利用牛頓第二定律，可以粗略計算除發動機推動地球產生的加速度約等於0.000000025倍的地球表面重力加速度，也就是0.00000025m/s2，相當於地球在一年後的速度只有大約7.9m/s，尚且不如博爾特在100m賽道上的速度，根本無法驅動地球逃離太陽系的束縛。

核聚變（nuclear fusion），又稱核融合、融合反應、聚變反應或熱核反應。核是指由質量小的原子，主要是指氘，在一定條件下（如超高温和高壓），只有在極高的温度和壓力下才能讓核外電子擺脱原子核的束縛，讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核（如氦），中子雖然質量比較大，但是由於中子不帶電，因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來，大量電子和中子的釋放所表現出來的就是巨大的能量釋放。

這是一種核反應的形式。原子核中藴藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨着能量的釋放。核聚變是核裂變相反的核反應形式。科學家正在努力研究可控核聚變，核聚變可能成為未來的能量來源。核聚變燃料可來源於海水和一些輕核，所以核聚變燃料是無窮無盡的。 人類已經可以實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。

影片中提到地球發動機的能量來自“重元素聚變”。核聚變這個概念我們並不陌生，“兩彈一星”中氫彈就是一種劇烈的核聚變現象。所謂重元素聚變一般發生在大質量恆星演化末期的核心處，這裏説的大質量最少也要8顆太陽質量以上了。

實際上，我們身邊的元素，除了氫和氦，基本都是在恆星燃燒、超新星爆炸以及中子星合併過程中形成的。有句話説的很好“我們其實都是核廢料”。

例題：

它們之間的平衡使太陽沒有成為一顆氫彈

其實，這種力量就是我們最熟悉的重力，讓牛頓的蘋果落到地面的重力。

從感覺上，司空見慣的重力似乎很難和毀天滅地的核反應相匹敵。但量變會引起質變，聚合成質量相當於33萬個地球的太陽的物質所產生的重力，已經足以控制住核反應。事實上，可以説是重力與核反應之間的相互作用主宰了太陽的生命印記。

美麗的獵户座星雲，正在通過聚集物質的方式孕育新的恆星。圖片來源：NASA

太陽這樣的恆星形成於原始星雲，在自身重力的作用下，組成原始星雲的物質不斷向一起聚集收縮，密度和壓強不斷增大。人類製造的核聚變裝置中，無論是不可控的氫彈還是可控的託卡馬克，像啓動汽車發動機一樣使核聚變開始，是一件相當困難的事情。進行核聚變的帶正電荷的原子核間存在靜電斥力，這種斥力像一座大山一樣，橫亙在核聚變發生的道路上。

要觸發核聚變，就必須先有足夠的能量克服靜電斥力，翻過這座大山，讓發生聚變的原子核足夠接近。在引爆氫彈時，觸發核聚變發生，靠的是先行引爆的一顆小型核裂變原子彈所產生的温度和壓強。對於託卡馬克，這種“大力出奇跡”的點燃手段顯然不適用，則需要採取歐姆加熱和其他輔助加熱手段共用的方式來讓核聚變開始。

在太陽這樣的恆星形成時，點燃核聚變靠的僅僅是重力的擠壓。由於物質本身的壓強產生的向外膨脹的力，不足以抵禦驅動物質向內收縮的重力，星雲中物質一邊聚集一邊向內收縮的過程可以不斷持續下去，中心的密度和壓強持續增高，迫使氫原子核相互接近，進而觸發了核聚變反應開始。

同時，恆星中聚集的質量又決定了核反應的速率。質量越大的恆星，中心會受到更大的重力壓迫，產生更高的壓強，使更多的氫原子核相互接近，核反應的速率也就更高。

當太陽已經是一顆成熟的恆星後，核反應的速率與恆星物質的重力達到了一種簡潔又精巧的平衡。如果太陽從平衡態向外膨脹，中心受到的擠壓減小，核反應的速率將會降低，產生的能量將會減少，恆星中心的温度將會降低。

這樣，恆星中心向外膨脹的力無法支撐恆星向中心收縮的重力，膨脹過程無法持續。反過來説，如果太陽向中間收縮，將會使核反應加速，產生更大的向外膨脹的力，收縮過程同樣無法持續。總之，一旦步入壯年，太陽想向外擴張時後勁不足，想向裏收縮時又會受到很大的牴觸，因此只能穩定在一個相對固定的個頭上。

使恆星向內坍縮的重力與使恆星向外膨脹的核聚變反應在主序恆星階段達到平衡。原始圖片來源：http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/olson1/

這種精巧的平衡並非我們太陽的專利，而是放之宇宙而皆準的一個基本原理。科學家們通過長期的觀測積累後，發現處於壯年的恆星幾乎都處在這樣一種穩定的狀態中。科學家們把處於這些狀態的恆星稱為“主序恆星”。對於這些恆星來説，確切的平衡點位置與恆星的總質量有關。質量較大的恆星，平衡狀態下的核反應速率要高於質量較小的恆星。

光年

光年是長度單位，用來計量光在宇宙真空中沿直線傳播了一年時間的距離，一般被用於衡量天體間的時空距離，其字面意思是指光在宇宙真空中沿直線傳播了一年時間所經過的距離，為9,460,730,472,580,800米，是時間和光速計算出來的單位。

“年”是時間單位，但“光年”雖有個“年”字卻不是時間單位，而是天文學上一種計量天體時空距離的單位。宇宙中天體間的距離很遠很遠，如果採用我們日常使用的米、千米（公里）作計量單位，那計量天體距離的數字動輒十幾位、幾十位，很不方便。

於是天文學家就創造了一種新的計量單位——光年，即光在真空中用去一年時間所走過的距離。距離=速度×時間，光速約為每秒30萬千米（每秒299,792,458米），1光年為9,460,730,472,580,800米。讀作：九千四百六十兆七千三百零四億七千二百五十八萬零八百米。

比鄰星

比鄰星（毗鄰星，Proxima Centauri)是南門二（半人馬座α）三合星的第三顆星，依拜耳命名法也稱為半人馬座α星C。它是離太陽系最近的一顆恆星（4.22光年）。它是由天文學家羅伯特·因尼斯（Robert Innes）於1915年在南非發現的，當時他是擔任約翰尼斯堡（Johannesburg）聯合天文台（Union Observatory）的主管。

稍有天文常識的人都知道，距離太陽系最近的恆星是“比鄰星”，只有4.2光年。雖説是隻有4.2光年，但是對於我們來説也是遙遠不過的距離了，要知道1光年大約等於9.5萬億公里。如果用最快的宇宙飛船，到比鄰星去旅行的話，來回就得17萬年。在廣袤的宇宙系統中，雖説是比鄰也遠在天涯。

比鄰星和太陽也就是離地球最近的兩顆恆星，因科學家研究恆星的相互影響，測量科學數據時，最喜愛以比鄰星和太陽為樣本，這就是比鄰星在科學上的最大價值。

例題：

你看這地球，多美啊！（GOSE-8氣象衞星於地球靜止軌道上拍攝）圖片來源NASA

來源：

高考直通車綜合自中國科普博覽