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青岛晚报教育记者杨海涛带你“悦”教育。

《流浪地球》“燃爆”物理知识 记者邀大学物理老师专业剖析 促观影与教学互动

涛哥说教 • 2019-02-19 15:24:44 来源:青岛晚报 

《流浪地球》“燃爆”物理知识 记者邀大学物理老师专业剖析 促观影与教学互动

《流浪地球》“燃爆”物理知识

记者邀大学物理老师专业剖析  促观影与教学互动

一直以来,国产科幻电影都只有硬来的科幻,没有硬科幻。《流浪地球》的真正价值,是为国产科幻片拼出了个希望。大年初一开始上映的《流浪地球》一出,立刻成为国人全年龄级的科幻大片,甚至被称为中国科幻电影元年真正到来的标志。作为教育记者,从《流浪地球》中看到的不仅是中国亲情观念、英雄情怀、奉献精神、故土情结和人类命运共同体的核心价值观,还有物理学科知识的普及,该影片主要涉及了哪些重要的物理知识点?撇开娱乐性,地球“流浪”的方案在科学的维度靠不靠谱?尤其是地球和木星碰撞危机的解除方式,是否符合科学逻辑?作为一篇旨在科普的报道,记者就此向驻青高校的物理学老师做了采访,从“涨知识”的角度剖析《流浪地球》,从而实现其在物理学科方面的教育意义。

剧情回顾:

《流浪地球》的剧情并不复杂:在不远的将来,太阳急速衰老膨胀,地球面临被太阳吞没的灭顶之灾。为拯救地球,人类在地球表面建造了一万一千座行星发动机,以逃离太阳系寻找新的家园,地球和人类就此踏上预计长达2500年的宇宙流浪之旅。在完成这一宏伟计划的进程中,无数人挺身而出,上演了可歌可泣的传奇故事,九死一生的冒险和对人性的终极拷问也同时上演。

青岛大学物理科学学院副教授 孙彬

观影与教学结合这种方式值得推广

“《流浪地球》是目前我看过的最好的国产科幻片,突破了以前对国产科幻片的理解。粗略一看,里面涉及的物理知识点很多,包括牛顿定律、核聚变等,都是从中学阶段学过的,但一些名词例如弹弓效应、洛希极限等则是大学以后才会接触到的。例如将地球推向木星,然后借助木星引力,将地球甩出太阳系,就是借助弹弓效应的原理。”孙彬说,但是可以看到,出于剧情的需要,电影里会有很多不符合科学原理的地方。如天体之间靠彼此之间的万有引力达到目前的这种运行方式,一旦改变一颗行星的运行方式,势必会影响其他行星的运转轨道,且不必说150万亿吨级的推力是否能明显改变地球的轨道,就算前面的都可以达到,地球在这么多年流浪过程中也会因为碰撞各种小行星而引起人类毁灭。

“另一个问题,木星大气层中存在闪电,因此地球大气层中的氧气被吸引到木星一侧时会随时被耗尽,而不会积累下来,后面‘引爆’的方式就见仁见智了。”孙彬说,况且木星和地球的体积比远大于电影中所描述的,因此地木相距7万公里时,很有可能已经突破洛希极限,地球已经被撕成碎片,主人公最后的牺牲就有点不值得了。

“艺术来源于生活且高于生活,不同于纪录片,科幻电影的目的和作用是娱乐观众。前几年,新竹交通大学曾经搞过一个‘看电影谈物理’的活动,目的是让学生发现和总结所看过电影中存在的物理原理和现象,以及与物理原理相悖的现象。我以为类似的活动值得各级学校广泛推广。”孙彬强调说。

青岛理工大学理学院物理系讲师  初鹏程

物理知识涉及中学到研究生三阶段

初鹏程博士毕业于上海交通大学物理学院,该校在物理方面见长,初鹏程攻读的主要方向是核物理和核天体物理,他在看这部电影时,感觉物理知识方面的“嚼头”更多一些。

“毕竟这是一部科幻电影,不是科学电影,因此不能完全从科学的角度来审视,但它在物理知识运用的大方向上是没问题的,能看出在剧本改编时有相关的物理学专业人士给予了参考建议,从学生和老师的角度讲,我们可以从中探讨的内容有很多。”初鹏程说,这部电影主要涉及了中学、大学本科、研究生三个阶段的物理知识,中学阶段涉及力学,比如引力、能量守恒、反冲及近代物理,比如太阳所蕴含的氢、氦、核聚变等;大学本科阶段主要涉及理论力学知识,比如角动量守恒等;研究生阶段牵扯的知识较多,比如广义相对论、天体物理基础、原子核物理、核反应、粒子物理等。这是一部涵盖大量物理知识的科幻电影,且很多知识需要一定的科学素养才能解读出来。“编剧的处理方法比较得当,凡是涉及较为高深的专业物理知识,都没有太过深究,交代得比较顺畅,有利于剧情发展。”初鹏程说。

地球流浪前就“生死未卜”

“如果将这部电影带入教室,作为物理课的讨论题目,那么有几点可以深入探讨一下”初鹏程说。该剧情起于“太阳急速衰老膨胀,地球面临被太阳吞没的灭顶之灾”。“太阳里含有大量的氢,并进行着核聚变反应,没有氢就没法进行核聚变反应,太阳可能就会爆发,进而塌陷。太阳晚期,一旦其所含有的氢被耗尽了,就没有办法进行核反应,它向外释放的压力就比不过引力,这时太阳便可能变成红巨星。”初鹏程说,《流浪地球》所演绎的是太阳晚期趋于爆发的那个阶段的地球遭遇,这个阶段,太阳内部还在发生着核反应,太阳因此可能随着它的反应,体积逐渐膨胀,甚至会膨胀到地球的轨道上去。一旦膨胀到地球的轨道上去,如果地球还在原来的那个位置,必然就会被太阳吸收。“但是这种假设不是特别合理,因为如果太阳继续膨胀下去的话,地球有可能在太阳还没有碰触到它的位置的时候,就已经偏离了原来的轨道。当然,具体会发生什么,也没有办法完全通过理论准确预言,有可能地球因为受太阳风照射而质量流失,进而轨道外移;还有可能因为潮汐相互作用被太阳直接吞噬……不过有一点可以确定,一旦发生了这种情况,地球肯定会离开它原来的位置,和太阳及周围星体之间的相对位置发生变化,地球的生态环境必然会发生巨大改变,而且是往对人类不利的方向上走的。”初鹏程说。

地球若停止自转将面临灭顶之灾

影片一开始,地球自转被人为停止,目的是减少地球逃离太阳系时因自转而消耗能量。对于这一设计,初鹏程认为在逃离时地球根本不需要停止自转,因为停止自转会引发海啸、超低温等灾难不说,还可能会导致大气层脱离,地球遭遇辐射灾难。此外,有了地球的自转,才能够保证地球在迁徙轨道上的运转是稳定的。而且,停止地球自转的能量是难以想象的,如果人类能够掌握这种能量,那么早就可以全部移居外太空了,不必再让地球流浪。

迁徙方案用到引力弹弓效应

影片迁徙地球的方案涉及到了“引力弹弓”效应,通俗点讲,就是借助木星的引力,改变地球的运动轨道和速度,形成“引力助推”的效果。初鹏程认为,这里还需有个前提假设,即在地球偏离轨道运动时考虑其为坚不可摧的物体,不会破裂。

“我们有三大宇宙速度,第一宇宙速度,第二宇宙速度,还有第三宇宙速度,当物体的飞行速度接近或超过第三宇宙速度的时候,就有机会脱离太阳引力的束缚。在影片里,我们可以假设这样一个场景,地球接近木星的时候,刚好擦着木星从背面绕过去,存在一定的角度,木星对地球有引力,以致地球原来的运行轨道被偏转,改变了运行方向,借助这个力量,地球轨道发生变化,实现引力助推。这个效应目前一般用飞行器上,电影用在了地球上,充满了浪漫主义的想象力。”初鹏程说。

最后危机可能来自洛希极限

影片最后,地球和木星相距越来越近,轨道显示将会撞击,当双方相距仅剩7万公里左右时,影片设计了通过点燃木星来推开地球以防止相撞悲剧发生的情节。这里涉及到了一个物理知识——洛希极限(Roche limit),它是天文学中的一个特殊的距离。当两个天体的距离少于洛希极限时,它们就倾向于被“潮汐力”撕碎。通俗点讲,对于两个相处一定距离的天体,由于天体是球状的,它们的不同部分与对方质心的距离是不一样的,所以受到对方的引力作用强度也是不同的,靠近对方质心那部分所受的引力要比远离的那部分更强,这样天体就会受到潮汐力的作用,从而被拉伸变形。当两个天体的质量和强度存在差异并且距离足够近时,质量较小强度较弱的天体就会被另一个更大天体的潮汐力拉扯解体,成为环绕那个更大天体的光环,该极限距离就是洛希极限。

初鹏程认为,正是由于洛希极限的存在,地球在撞击木星之前就很有可能已经被撕成了碎片,并环绕木星飞行。

“爆燃”解围的可能性很低

对于点燃木星的情节设计,初鹏程认为实现的可能性比较低。他介绍说,地球大气层中有氧气,也有含量更高的氮气,氮气会对地球氧气和木星氢气充分燃烧产生一定阻碍。此外,木星的体积差不多是一千多个地球,即便把氧气吸到它那一侧燃烧起来,双方相距7万公里,仅仅派出一个空间站对它点火引爆,是很难的。因为宇宙的温度有高有低,有些地方甚至接近绝对零度,木星表面的温度在零下170℃以下,这么低的温度,热量损失很快。要想点燃,用未来的高能射电激光束流可能会更合适一些。

最重要的一点是,点燃木星后,地球能不能承受那么大的爆炸冲击力呢?初鹏程认为是非常难以承受的,就相当于在一个西瓜前炸了一颗手榴弹,地球在被冲击波推开之前,很可能已经粉身碎骨。

青岛科技大学数理学院物理系副主任  闫鹏飞

宇宙中的地球就似沙滩中的一粒沙

闫鹏飞的研究方向是星系物理,他介绍说,影片所涉及的太阳加速衰老、核反应等都是物理方面的知识。此外,他认为,太空中有很多因素是不可避免或预料的,在宇宙空间中,地球特别渺小,稍微一点力量都可以将它毁灭掉,就像是沙滩中的一粒沙子,它在迁徙过程中会遭遇各种星体。此外,在迁徙过程中,因质量等因素会和其他各星体产生引力等各方面的相互作用,《流浪地球》是在排出这些外在不可预期的因素的情况下设计的。

最后,三位物理方面的专家都认为,对于普通观众,电影好看,能达到陪伴家人、身心放松的目的就好,对于师生,如果能够从这部影片中促进学习或教学,就更好了。对这部电影从物理学科方面的剖析并不是挑刺,而给即将开学的老师和同学们提供几个交流提升的切入点,这也是对这部电影价值的进一步开发利用。(青岛晚报/掌上青岛/青网 记者 杨海涛 通讯员  李鹏  曹玉洁 臧传永)


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