《流浪地球》熱映 媒體揭影片中科學漏洞(圖)

京港台:2019-2-14 00:15| 來源:多維 | 評論( 5 )  | 我來說幾句

《流浪地球》熱映 媒體揭影片中科學漏洞(圖)

來源:倍可親(backchina.com)

  中國科幻電影《流浪地球》成為春節檔的票房贏家。有數據顯示,《流浪地球》在中國大陸的累計票房收入已超過25億元人民幣。

  

  《流浪地球》在中國熱映,票房已超過20億元人民幣(圖源:VCG)

  伴隨著電影的熱播,與電影有關的科學問題引起了熱烈的討論。

  中國財新網2月12日在發表文章中提出,到底《流浪地球》中的情節有科學依據嗎?跟其他經典的科幻電影作品相比,它在科學上更「硬核」嗎?

  文章通過影片的故事情節,從科學的角度分析:地球會不會被太陽吞噬?讓地球停止自轉可行嗎?靠衝擊波能否逃離木星?比鄰星是不是理想的新家園?等一系列問題。

  文章最後指,科幻電影是電影藝術與科學元素的有機結合。《流浪地球》中的科學元素被廣泛討論后,有不少聲音認為不應完全用科學的嚴苛標準來要求科幻電影。但不可否認的是,科幻電影中對科學元素應用得恰當與否,與大眾對電影的評價高低有著難以分割的關係。

  「給科幻大片挑bug:《流浪地球》中的科學漏洞」全文。

  科幻電影《流浪地球》成為春節檔的票房贏家。依據貓眼電影網站發布的數據,截至2019年2月12日17時,《流浪地球》在中國大陸地區上映8日的累計票房收入達到約25.15億元人民幣(1元人民幣約合0.15美元)。被稱為硬核科幻電影的《流浪地球》,改編自著名科幻作家劉慈欣的同名科幻小說。

  電影設定在2075年前後,彼時因太陽的急速膨脹,太陽系已不適合人類生存。為了擺脫走向滅亡的命運,人類啟動「流浪地球」計劃,在地球表面建造了一萬座行星發動機,將地球變成一個巨大的宇宙飛船,載著人類文明開始了長達2,500年的太空流浪之旅。在「駕駛」地球在太空中尋找新家園的路上,人類試圖利用木星實現「引力彈弓」加速,卻因行星發動機故障,導致地球被木星吸引而面臨被毀滅的風險。在生死存亡的時刻,位於地球和空間站上的人類聯手展開自救,並成功引燃木星大紅斑中的氫,將地球推離木星,人類成功脫離險境。

  伴隨著電影的熱播,與電影有關的科學問題引起了熱烈的討論,到底《流浪地球》中的情節有科學依據嗎?跟其他經典的科幻電影作品相比,它在科學上更「硬核」嗎?

  地球會不會被太陽吞噬?

  在美國航天局(NASA)發布的一篇名為「太陽有多圓?」(How Round is the Sun?)的文章中,太陽被描繪為一個由熱等離子體與磁場交織而成的理想球體。這顆質量約為地球的33萬倍的恆星,質量的四分之三都是氫,除去氧、碳、氖、鐵和其他重元素佔去的少於2%的質量,剩餘幾乎都為氦。在它的體內核聚變無時無刻不在發生,進而向太空釋放光與熱。影片《流浪地球》中,故事的起源與這顆為地球萬物生長提供光與熱的恆星密切相關。在其中,太陽已度過青壯年期——主序星階段,即將進入紅巨星的膨脹階段。紅巨星是恆星燃燒到後期所經歷的一個較短的不穩定階段,可以理解為恆星的老年期。紅巨星時期的恆星表面溫度相對很低,但體積非常巨大。

  科普公號「賽先生」上發表的文章「流浪是地球無法逃脫的宿命嗎?」介紹了太陽的能量來源:在引力的作用下,聚集物持續收縮,中心溫度不斷上升,並導致了核聚變的發生。四個氫原子核聚合在一起,發生核聚變反應,最終變成一個氦原子核。

  據中科院等離子體物理研究所官網,核聚變的過程伴隨著明顯的質量虧損,依據愛因斯坦質能公式E=mc²,核聚變反應過程中出現的質量虧損會轉化為巨大的能量。而在上世紀五十年代,地球上已經實現了核聚變反應,這就是在短時間內將自身能量全部釋放的氫彈爆炸過程。然而這是一種不可控的核聚變裝置,只有可控的核聚變反應,才對人類社會生產生活具有意義,這也是目前科學家一直試圖尋找可控核聚變裝置的原因所在。

  被稱為「人造太陽」的中科院合肥物質科學研究院的超導托卡馬克(EAST),是當下科學家利用磁約束控制核聚變的一種嘗試。不過,雖然全球科學家已形成了國際熱核聚變反應堆計劃(ITER),但托卡馬克仍處於原理試驗階段。「其中核反應所釋放的能量能夠將核反應本身維持一百多秒已屬不易。」哈爾濱工業大學博士后李會超在「中國科普博覽」公號上發文稱。

  然而在太陽中,人類目前仍難以控制的核聚變反應卻與太陽自身的重力間形成了微妙的平衡,促使太陽穩定地進行了約46億年的可控核聚變反應,為太陽系持續提供光與熱。李會超在文中介紹太陽內部的這種平衡時稱,「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,恆星中心的溫度將會降低。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」。反之亦然。也就是說,太陽在步入壯年時期后,向外擴張的後勁不足,向內收縮又會遭遇較大阻力,所以在核聚變和自身重力的雙重作用下,太陽的體積便相對固定了下來。

  科學家將處於這一階段的恆星稱為「主序恆星」。恆星通常在星雲的氣體或塵埃坍縮中誕生,並在漫長的時空中達到平衡狀態,成為主序恆星。在恆星的大部分生命周期中,它們都在通過核聚變產生能量。然而,當恆星核心的氫通過核聚變形成氦,並積累得越來越多時,恆星的體積也隨之逐漸增大,離開主序帶。不同質量的恆星會走向不同的結局。如太陽未來會膨脹成一顆紅巨星,而遠大於太陽質量的恆星則可能爆炸為超新星,或者塌縮為黑洞。超新星爆發是某些恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。

  伴隨著太陽中心區的氫燃燒殆盡,太陽中心區的核聚變反應逐步停止,太陽的中心區變成了一個氦核。李會超在文中解釋道,缺少核聚變反應與重力對抗,恆星中心附近的物質開始向核心擠壓,導致太陽核心溫度不斷升高,而距離核心較遠的一些殘存的氫在高溫下被點燃,驅動太陽的外層不斷向外膨脹,最終相繼吞併水星與金星的軌道,並有可能吞沒原本距離太陽表面1.5億千米的地球軌道。

  影片中還出現了一個燒腦的科學概念——「氦閃」。這是在太陽成為紅巨星后,其內核約佔太陽質量40%的氦因不斷升高的溫度,在數分鐘內燃燒形成碳的過程。這一過程會釋放出巨大的能量,「大致相當於太陽在當前狀態下持續數百萬年所釋放的能量」,李會超在文中解釋稱。而科學家認為,等不到氦閃出現,在太陽成為紅巨星之前,地球就已經「被烤成一片不毛之地」。

  不過,國家天文台研究員苟利軍表示,太陽至少在未來50多億年內都是相對穩定的。換言之,地球並不會真的如電影中所表現的,在21世紀下半葉就因太陽膨脹遭遇滅亡危機。

  讓地球停止自轉可行嗎?

  《流浪地球》的故事設定中,地球的流浪之旅包含五個階段。首先,通過轉向發動機讓地球停止自轉,這被稱為「剎車階段」;其次,在「逃逸階段」啟動地球推進發動機,讓地球脫離自身軌道;再次,在「先流浪階段」利用太陽和木星引力完成加速;之後,用500年時間將地球加速到光速的千分之五,即1,500千米/秒的速度,並滑行1,300年,在接近目的地比鄰星時,再用700年的時間減速,這被稱為「后流浪階段」;最後,地球成功泊入比鄰星軌道,進入「新太陽時代」。

  這是一個歷時2,500年的富有想象力的恢弘計劃,但在現實中,無論是讓地球停止自轉,還是帶著地球在太空流浪,都需要巨大的能量做支撐,而故事中所設定的行星發動機並不足以提供實現上述計劃的能量。

  公開信息顯示,地球的旋轉動能是2.138×10^29焦耳。苟利軍在「中科院國家天文台」官方公眾號發文對這一數字解釋稱,地球的旋轉動能「大約相當於1萬億(1×10^13)個大伊萬的氫彈同時爆炸」。大伊萬氫彈是前蘇聯實驗的釋放能量最強的氫彈,公開信息顯示,美國曾估算其爆炸當量為6,700萬噸TNT。

  影片中,為了讓地球停止轉動,人類在地球表面建立了一萬個行星發動機,其中位於赤道的部分行星發動機用於減速。苟利軍解釋稱,如果按電影所說,每個行星發動機通過重核聚變產生150萬億噸的推力,應用到地球的質量上,只能產生0.00000025米/秒2的加速度。地球赤道附近的轉動速度約為460米/秒,這意味著,大約需要60年才能讓地球停下轉動的腳步。

  公開信息顯示,劉慈欣在談及原著對行星發動機的設計時也曾坦言,當時將地球發動機的具體參數全部詳細列出,詳細到可以很方便地直接計算地球得到的加速度,而依據計算的結果,「發動機只能給地球零點(N多個零)幾的加速度,別說航行,改變軌道都不可能」。

  此外,電影里在地球流浪進程中發揮重要作用的行星發動機,所依託的是重核聚變技術,這項技術在科學家眼裡也不具備影片情節的理論和實現條件。中國工程物理研究院研究員蒙大橋在接受《科技日報》採訪時對這一技術解釋稱,重核元素只能分裂生成兩個輕於母核的元素,比如,鈾-235裂變成質量為95-105的元素。他解釋稱,在現代核物理框架下,90號以上的元素有裂變趨勢,10以下的元素有聚變趨勢,而重核發生聚變目前缺乏理論和實現條件。

  此外,讓地球停止自轉不僅是一項難以完成的任務,更有可能給人類帶來毀滅性打擊。苟利軍稱,美國ESRI公司曾做過相關模擬,一旦地球停止自轉,除赤道附近外,所有的大陸都會被海水淹沒。

  苟利軍在文中還提到地球停止自轉的另一風險——失去地球磁場的保護。他指出,地球磁場可以將太陽的帶電粒子屏蔽於地球大氣層之外,但停止自轉的地球磁場有可能會突然消失。失去磁場的保護,太陽風將長驅直入進入地球大氣層,讓大氣在其衝擊下逐漸被損失掉。科學家認為,火星從有海洋、大氣、適宜生命生存的環境演變成如今的模樣,就是因為火星磁場的消失使得火星大氣在太陽風的衝擊下逃逸到了太空。

  靠衝擊波能逃離木星?

  影片中,為了獲得逃離太陽系的加速度,地球的流浪路線被設定為一個較為冒險的軌道——飛往木星以期通過「引力彈弓效應」為地球加速。也就是在這一過程中,地球因面臨被潮汐力撕裂的危險險些走向毀滅。

  所謂「引力彈弓」事實上已經是很成熟的技術,在現實的航天活動中早已得以應用。1959年,前蘇聯的月球3號探測器飛過月球南極,藉助月球引力繞到月背拍下了第一張月背照片。NASA發射的旅行者1號也是在飛掠木星和土星時實現加速,最終得以逃出太陽系。

  木星是太陽系內最大的行星,其質量相當於317.8個地球,而體積相當於1,321個地球。木星軌道的近日點距離太陽約7.4億千米,而地球與太陽的平均距離約為1.5億千米。因此,即使忽略地球和木星的公轉,從地球出發最近也要走大約5.9億千米的路程才能到達木星。2011年NASA發射的木星探測器「朱諾號」,歷經5年的飛行才進入木星軌道。

  影片中,地球在靠近木星時,表面架設的行星發動機突發故障,致使地球在木星引力的作用下向木星加速靠近,二者間的距離逼近「洛希極限」。

  洛希極限是法國天文學家洛希提出的使衛星解體的極限距離。在影片中,洛希極限便是地球被木星潮汐力撕碎的極限距離。依據洛希極限的原理,當地球和木星的距離越來越近時,靠近木星和遠離木星的地球表面受到的木星引力會產生很大的差異,這種差異便被稱為潮汐力。潮汐力大到一定程度時,地球就會面臨被撕裂的危險。

  為了在到達洛希極限距離之前逃離木星,電影中,地面救援隊試圖集中所有行星發動機的能量至一點,噴射點燃木星的大紅斑,但最終因距離過遠未能成功。最終,是吳京扮演的宇航員駕駛空間站在木星粒子流中爆炸,點燃了木星大紅斑,併產生劇烈的衝擊波,幫助地球擺脫了木星引力的控制,遠離了木星。

  大紅斑是木星上最大的風暴氣旋,也是木星的特徵性標誌。苟利軍在科普文章中稱,電影中木星大紅斑中的氫被點燃,以及由此產生的氣體衝擊波將地球推走,這兩種情形都不太可能發生。因為大紅斑中的氫需要與氧均勻混合,才能大規模燃燒。影片中,木星雖然從地球大氣中吸走了氧氣,但並沒有足夠的時間與木星大紅斑中的氫混合。即使大紅斑中的氫成功被點燃,由此產生的衝擊波也不可能對地球產生如影片中將地球推離木星的影響。苟利軍分析稱,衝擊波其實就是高速運動的氣體粒子,因為地球有磁場的保護,這些粒子並不會直接打到地球表面,即使粒子穿透了地球磁場,更多也是與地球大氣中的粒子相互作用,產生壯觀的極光現象,卻不會產生很強的推力。

  比鄰星是理想新家園嗎?

  影片中,流浪地球的最終歸宿為比鄰星。那是一個距離太陽系僅為4.2光年的恆星系統,也是距離太陽系最近的恆星。從天文學的角度看,它與太陽系的距離如同是一座房子與「自家後院」的距離,但即便如此,按照當下最快的宇宙飛船的速度,飛往比鄰星仍需17萬年。

  比鄰星位於半人馬座天區,是一顆三合星,即由三顆恆星組成的一個天體系統。這一天體也是劉慈欣的科幻小說《三體》的切入點。

  2016年,歐洲南方天文台發現了一顆圍繞比鄰星公轉的行星,並且該行星還位於比鄰星的宜居帶上。在宜居帶,行星與恆星保持著最合適的距離,恆星向行星傳遞的熱量最為適宜,既不會過冷也不會過熱,適宜的溫度方便水以液態形式存在,也為生命的存在提供了相對適宜的條件。

  不過在科學家看來,被科學幻想賦予期望的比鄰星不僅過於暗淡,而且具有很強的不穩定性,很難稱得上是一個理想的家園。國家天文台星雲計劃研究員李然在「科普中國」公眾號發表文章稱,比鄰星只有太陽質量的十分之一,只能勉強達到核心發生核聚變的標準,而這樣的恆星會展現出很大的不穩定性,表現為爆發「高頻率的恆星耀斑」。

  在天文觀測史上,太陽耀斑也時有發生,但這一般只是對地球環境帶來一些擾動,出現地球電離層異常吸收的問題,對地球無線電通訊帶來干擾。不過,比鄰星軌道上的耀斑爆發,卻可能帶來災難性後果。「這是因為比鄰星太過暗淡,地球如果要想充分接收比鄰星的能量,讓冰凍的海洋融化,需要非常靠近比鄰星,其軌道距離只有目前日地距離的1/20。」李然在文中解釋稱。所以他認為,比鄰星可以成為流浪地球的「一個中途補給站」,卻無法成為久居之地。

  著名物理學家斯蒂芬·霍金生前曾十分支持「突破攝星計劃」(Breakthrough Starshot)。該計劃設想將幾克重的自動化太空探測器加速到光速的五分之一,使其能在20多年的時間內飛到比鄰星。不過,以當下的技術水平,這仍是一個難以完成的任務。

  科幻片難免的科學漏洞

  科幻電影是一種以建立在科學上的幻想情景為基礎而展開敘事的作品,是電影藝術與科學元素的有機結合。《流浪地球》中的科學元素被廣泛討論后,有不少聲音認為不應完全用科學的嚴苛標準來要求科幻電影。但不可否認的是,科幻電影中對科學元素應用得恰當與否,與大眾對電影的評價高低有著難以分割的關係。而被媒體稱為「開啟中國科幻電影元年」的《流浪地球》,也難免被拿來與《太空漫遊2001》《火星救援》《地心引力》《星際穿越》等經典科幻電影相比較。

  無論是《流浪地球》中的領航員號,還是《星際穿越》里的永恆號,其環形的設計與美國著名導演庫布里克的經典科幻電影《太空漫遊2001》中的「發現號」飛船有著異曲同工之處。這是為了讓飛船自旋產生的向心力模擬地球重力,讓飛船上的人可以擺脫失重狀態,像在地球上一樣生存。著名火箭工程師馮·布勞恩就曾設計出這樣的航天器模型,但世界至今上還沒有航天機構製造出這樣的結構。不過實際上,當人處於高離心力的環境中時會感到眩暈,失去方向感,並不能很快適應。所以在《太空漫遊2001》里,宇航員們並不會像在地球上生活一樣自在。這也是這一經典科幻影片中極少的科學漏洞之一。

  和《流浪地球》主角們一樣需要在惡劣的星球環境下生存的,還有2015年上映的好萊塢電影《火星救援》中的宇航員。美國影星馬特·達蒙飾演的這一角色因為一場巨大的風暴被孤零零地留在火星上,不得不開始在火星上種植土豆維生。這也是影片中最大的科學謬誤所在。真實的火星表面因為大氣稀薄,氣壓還不到地球表面的百分之一,並不足以產生如此猛烈的風暴。但這並不意味著火星表面就十分平靜。平均每3個火星年就會發生的全球性塵暴一旦席捲地面,細小又帶有微靜電的火星沙塵極易吸附在物體表面。這無論對人還是科學儀器來說,都會是巨大的挑戰。

  在2013年的美國電影《地心引力》中,兩名宇航員正在執行維護哈勃太空望遠鏡的任務,但突然遭遇被導彈擊毀的衛星碎片,不得不前往國際空間站避難。然而事實上,哈勃太空望遠鏡的軌道高度為540千米左右,而國際空間站在距離地面400千米左右的軌道上運行,宇航員既不可能看到國際空間站,更不可能在太空中跨越140千米前去避險。此外,國際空間站的運行速度是7.66千米/秒,在這樣的高速運動中,單靠噴氣裝置加速的宇航員是無法搭上「車」的。

  諾蘭導演的《星際穿越》在2014年上映之後就一直因為精湛的視覺效果和諾貝爾獎得主基普·索恩作為科學顧問的過硬科學背景,而受到科幻迷的稱讚。不過,影片中仍然存在著一些科學上可推敲之處。例如,一些科學家質疑,電影主角登上了一顆在黑洞附近由於強烈的時間扭曲導致表面一小時等於地球上七年的行星,而在這樣的距離上,它早就應該被黑洞的潮汐力所摧毀。即使行星在黑洞的洛希極限之外,但黑洞的潮汐鎖定也會導致行星表面存在兩個巨大的、相對靜止的海水鼓包,而不是周期性的巨浪。此外,美國《天空與望遠鏡》雜誌主編羅伯特·奈耶指出,主角最後遭遇的黑洞吸積盤並沒有顯示出紅藍變化的多普勒效應。由於吸積盤圍繞黑洞高速旋轉,看上去應該是一側紅而暗淡,另一側藍而明亮。

  尋找適合人類生存的新空間,一直是科幻電影青睞的主題之一。既往的科幻作品中,人類離開地球踏上尋找新家園的影片不在少數。而劉慈欣所設想的帶上地球去尋找適宜恆星,為此類作品開拓了一個新的想象空間。不過,從科學的角度來看,帶球流浪比離開地球謀求文明的延續更困難。苟利軍告訴財新記者,帶著地球去流浪,比星際穿越要更加艱難,他更傾向於認為未來人類有可能利用有強大理論基礎的「蟲洞」實現星際穿越,尋找到新的適合人類生存的星球。蟲洞是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道,愛因斯坦等科學家認為,透過蟲洞可以做瞬時的空間轉移或時間旅行。

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