没看流浪地球1，去看流浪地球2看得懂吗？

红花少年压

请光大书粉进来回答一下啊
最近看到三体的电视剧，感觉科幻不错
就和同学约着去看流浪地球2了
但没看流浪地球1，怕看不懂，需不需要补

球死禁严

新年好呀。要说今年大年初一有什么值得庆祝的事，相信热爱物理的你们会脱口而出——《流浪地球2》上映了。我刚刚从电影院出来，确实是一部不错的科幻片。
这里先给不了解故事背景的读者讲讲设定。按照电影制作手记[1]和预告片所展示的故事线：早在1977年，就有天文学家根据太阳活动历史记录推测太阳核心聚变加速；2026年，爆发了超过G5等级的太阳风暴，国际开始重视氦闪危机，并逐渐形成乘坐飞船逃离的飞船派和带着地球流浪的地球派；2030年，地球派方案被采纳，开始建造推动地球的行星发动机；2039年，刹车时代，通过发动机停止地球自转；2042年，逐月计划启动；2044年，太空电梯危机；2058年，月球坠落危机；2065年，地球停转，推进发动机点火，进入加速时代；2075年，木星引力危机；2078年，太阳氦闪危机。
我们先从整个故事的动机，也就是太阳急速膨胀老化，即将氦闪说起。
1. 氦闪：太阳为什么会老化？
我们的太阳正处于青壮年时期，天文上称为 主序星阶段。它大约四分之三是氢，四分之一是氦，还含有少量的氧、碳、氖、铁。太阳发光发热的能量来源，主要是它里头的氢在发生聚变，每4个氢1（质子）会聚变成一个氦核，这被称为 质子-质子链反应。




太阳的 内层高温高压，可以聚变生成氦，而 外层环境不够高温高压，氢无法聚变。由于太阳的质量较大，内层生成的氦会被引力困住而出不去，外层的氢又进不到内部。所以，当太阳内层的氢被耗尽，全部变成氦时，内层聚变产生的热能就抵抗不了引力，从而坍缩。




太阳的内外层 |bilibili@吟游诗人基德
但这并不意味着太阳会缩小，因为坍缩后的内层会变得更热，使外层的氢升温并点燃聚变反应，这一下反而让太阳膨胀上千倍，表面甚至可以达到金星轨道的位置。此时，太阳进入 红巨星阶段。红巨星一般会持续10亿年。在红巨星的末期，太阳内核温度可高达一亿度，足以点燃氦聚变成碳氧的核反应，这称为 氦闪。
所以，按目前的恒星理论，早在氦闪之前，太阳就会膨胀变成红巨星，把地球上的生命烤熟。
按目前的理论估计，太阳能在主序星阶段持续110亿年，而今太阳才50亿岁，大可不用担心它会膨胀老化。
2. 行星发动机：重核聚变可行吗？
为了推动地球，人们一共建造了一万两千台行星发动机，其中一万台建在北半球用于推进，两千台建在赤道附近用于转向。这些发动机的高度超过一万米，占地面积约1千平方公里，非常巨大。




转向发动机和推进发动机
作为硬核科幻迷，我们在半年前就估算过地球流浪的第一步—— 刹住自转该如何进行了（如何让太阳从西边升起）。我们假设发动机采用的是老航天喜爱的工质推进方案，并假设发动机能把工质以第二宇宙速度11.2km/s喷出，然后算算看这需要多大的功率。
按照电影制作手记里规划，人们花了26年完成刹车，但原著小说里是花了42年才完成的，这里我们采用小说的时间。经过计算[2]，两千台转向发动机需要每秒总共喷出733.6亿吨工质，平均功率达到4.6×1021W。
你可能对这个数没什么概念，我打个比方，这相当于它一秒钟就要消耗2021年一整年全球发电量的45倍。对照目前的工程技术，这是2000亿个三峡发电站的装机容量，或5750亿个核裂变电站机组（以目前装机容量最大的柏崎刈羽核电站为计量单位）。但对于太阳来说，这又只不过是它辐射功率的十万分之一。
换算下来，发动机的总推力要达到8.21×1017N，所以单台发动机的推力要达到410亿吨。但是，原著和电影都设定一台发动机的推力是150亿吨[1]，保险起见，我建议 把这个设定再往上翻两倍。
发动机启动会产生巨量的热，所以在计划伊始，地表温度会上升到七八十摄氏度，两极冰川融化，加上自转停转引起的潮汐，一些临海城市会被淹没。




被淹没的上海和巨大的行星发动机
这么巨大的推力，要从哪里获得能量呢？《流浪地球》假想了一种技术—— 重核聚变，也就是“烧石头”。我们先讲讲什么是核反应。
原子核由质子和中子构成，它们统称为 核子。核子结合成原子核会释放能量。在核反应过程中，核子的结合方式会发生改变，这种结合方式重组的过程伴随着能量变化。如果某个核反应吸收能量，那说明初态比末态的能量低，如果核反应释放能量，那说明初态比末态的能量高。
由于核反应中核子数守恒，我们把一个原子核结合时所释放能量除以它的核子数，从而定义出在该核中核子的 平均结合能。平均结合能越大，说明核子具有的能量越低，反应活性就越差。而平均结合能越小，核子具有的能量就越高，更容易发生核反应。




不同原子核的比结合能
从图中可以看出H1具有的平均结合能最小（因为它只有一个质子，还没有结合），Fe56的平均结合能最大。凡是平均结合能比Fe56小的原子核，都可以通过核反应向Fe56靠拢并释放能量。在Fe56左边的原子核可以通过 聚变变成Fe56，而在右边的原子核可以通过 裂变变成Fe56。
我们刚刚讲了太阳的氢核聚变，从图上也可以看出，氦核还可以继续聚变成碳、氮、氧等等，只不过后续的反应要求的压强和温度更高。




在比太阳更重的恒星中进行的碳氮氧循环
“烧石头”也是类似，石头主要含的氧和硅在极高温和高压下都可以发生聚变并向铁靠拢。但目前人们连轻核聚变都还没掌握。当今正在研究的聚变技术有三代，第一代以氘氚聚变为主，它所需要的温度和压强相对而言较低；第二代是氘和氦3融合，第三代是两个氦3融合，这两代的反应条件更苛刻。
3. 逐月计划：洛希极限？点燃月核？
日月间的引力大概有2×1020N，所有发动机全功率运行也无法直接抵消这个力，为了消除这个不可控因素，《流浪地球》中设定了逐月计划。




月球上的三个亮点就是三台月球发动机
但从预告片我们可以得知，2058年爆发了月球坠落危机，月球一个不小心没有被推出去，反而是撞向地球了。




这个画面很有意味，红圈是月球相对地球的 洛希极限。什么是洛希极限呢？我们以第一部电影举例。
在第一部电影中，地球在借助木星引力弹弓增速时一个不小心没控制好轨迹，即将坠入洛希极限，如果不想办法施加更大的推力逃离，就会被木星引力撕碎，成为木星环的一部分。




这个撕碎的力来源于引力的不均匀。木星对地球的引力是不均匀的，远离木星的部位引力小，靠近木星的部位引力大，这个引力差就会形成 引潮力。没错，之所以叫这个名字，正是因为地球上的潮汐是月球对地球引潮力产生的，月升月落就导致了潮起潮落。
引潮力会随着两个天体间的距离减小而增大，距离减小到洛希极限时，引潮力就会大到超过地球自身的引力，从而让地球崩解。对于 刚体和流体，洛希极限分别有以下的计算式：




但是电影里有个bug。地球的平均密度是5.514g/cm3，而作为气态行星的木星平均密度是1.326g/cm3，这样算出来的洛希极限小于木星的半径，也就是说，地球在与木星相撞前，都不存在洛希极限的说法。当然，如果是考虑的地球上的流体，比如地球大气，那确实会在相撞前就被木星引力掰扯开来。




地球大气和木星大气被相互拉出
回到第二部电影中来，月球的平均密度是3.340g/cm3，可以算出它对于地球的刚体洛希极限在地球半径的1.49倍处。所以电影中月球坠向地球时，月球还没接触到地球就会被引潮力撕碎。
逐月计划最终还是艰难地成功了。人们先在月表安装上千枚核弹，通过 相控阵引爆，将产生的冲击波集中往月核，引发了月核聚变。虽然郭帆导演坦言让月球瓦解是一个疯狂的想法，要直接毁掉月球，所需要的核武器至少是当前储量的10亿倍[3]。但这个情节让人看到，在全球危难面前，各国终于“放下对历史、当下、未来的执念”，选择了理智的合作方式。
“今人不见古时月，今月曾经照古人”。从此之后，地球踏上了孤独的流浪之旅。
4. 移山计划：把地球推出太阳系？
现在所有的准备工作都做好了，是时候脱离太阳系了。那么发动机应该向哪里喷呢？
直觉上来说，既然要逃离太阳，当然是向着太阳喷才对。但问题是，按我们第二节的估算，一万台推进发动机的推力才4.1×1018N，只能给地球提供0.7μm/s2的加速度，相比之下，日地间的引力约3.5×1022N，简直是蚍蜉撼大树。所以直愣愣地推离地球是不太可行的。
更实际的方案是让加速方向沿着地球公转的速度方向，这样才能最大化地获得动能。这里有两点，一是脱离引力束缚不需要速度背向引力源，只要动能足够大以至于超过引力势能，那么只要速度方向不直愣愣地指向引力源，物体就可以挣脱引力。二是，在发动机功率一样的条件下，返喷所获得的动量增量的大小是一样的，这里可以近似理解成地球的速度增量大小恒定。当速度增量方向和原速度方向一致时，获得的动能增量才会最大。
现在的航天技术也是采用这种加速方向来实现从低轨道升到高轨道，大部分情况下，这是最省燃料的变轨方式，也称霍曼转移轨道。




霍曼转移轨道
我假想了下地球升轨到木星轨道的过程，如果按第二节计算得到的发动机推力，这个过程至少要花上百年。为了赶上电影的时间线进度，我们先不考虑发动机的推力问题，直接假设每次在近日点点火能为地球产生3km/s的增速，那么只需要3次变轨就能完成。




之所以只在近日点点火，是因为此处地球速度最大，相同速度增量所增加的机械能最多，也最能抬高远地点。在原著中，因为不知道氦闪什么时候爆发，每次经过近日点时人们都会变得紧张，这被比喻为“宇宙俄罗斯轮盘赌”。




木星的引力弹弓加速效果（为了示意，图中没有在近日点点火）
地球在接近木星时会与木星引力产生弹弓作用，获得木星的一部分动量从而加速。这个过程其实就像你在打球时挥舞球拍，如果球的质量相比球拍非常小，那么球最多可获得的增速能达到球拍速度的2倍。




地球的质量只有木星的千分之三，可以认为地球就是个被木星拍子击出的轻质小球，因此能从引力弹弓中获得可观的速度增量。




5. 流浪的目的地：三星系统？
通过木星的引力弹弓，地球正式脱离太阳系的引力束缚，并向新的太阳进发。在《流浪地球》中，人们将距离太阳4.2光年的比邻星作为新家园。




想法很美好，但有一个很棘手的问题：比邻星和半人马座α星A（南门二A）、半人马座α星B（南门二B）共同构成了 三星系统。这个半人马座α三星系统，这正是科幻小说《三体》所设定的三体文明的所在地。而三体人之所以要入侵地球，就是因为它们所在的三星系统会在引力作用下做无规则运动，我们曾在《三体开播前，帮三体找找稳定解》介绍过它。当然，目前比邻星离南门二AB双星相对较远，按当今的轨道参数推算，还算处于 恒纪元。




半人马座α三星系统 | KOSMO
不过倒是有一个段子：
在流浪地球的路上，人们遇到了三体舰队。
地球人：我们的太阳急速老化，要搬家到比邻星系。
三体人：我们的恒星系统不稳定，要搬家到太阳系。
地球人和三体人面面相觑。




离太阳最近的几个恒星系 | KOSMO
考虑到《流浪地球》成书早于《三体》，估计大刘自己也没想到会有这种巧合。那么有没有更好的选择？目前观测到的离地球第二近的恒星是巴纳德星，距地球6光年。它和比邻星一样，也是一颗红矮星，质量约0.144M☉，表面温度约3000K。
2018年11月，人们通过 视向速度法（多普勒频移法）发现巴纳德星也有一个行星，命名为巴纳德星b。它的质量超过地球的3倍，表面温度约-170℃。




巴纳德星b艺术假想图
如果把地球泊入巴纳德星b以内的轨道，应该也能获得不错的生存环境。这样能避免三星系统混沌的运行方式，但得多流浪1.8光年，也就是大概400年的时间。
纵观整个流浪地球计划，人们先用500年加速至光速的千分之五，再花1300年走完全程的三分之二，然后用700年减速进入比邻星的引力范围，调整地球航向，使其泊入稳定的公转轨道。整个过程持续2500年，跨越100代人。
电影中有人质疑它能不能完成，李雪健老师回答道：“我信，我的孩子会信，孩子的孩子也会信”。这种愚公移山的精神，既是刻在传统文化里的基因，在现实生活中也是我们宝贵的精神财富。

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当然看得懂，因为浪球2本来就是前传，发生在浪球1之前，完全不需要知道浪球1的故事。

在战狼2最后一幕，冷锋收到旧上司的来电，说龙小云仍然活着……
原来龙小云曾被“老爹”看押在一个秘密仓库，警察接到线报后赶去，龙小云已被转移。现场并没有留下打斗的痕迹，警察只是找到了一张刻有特殊标记的神秘光盘。冷锋用计算机打开光盘，发现这是一个叫做“三体”的诡异网游。这个游戏讲的是一个半人马座α星系的“三体文明”，而这个文明正在寻找殖民星球。一个代号“老娘”的疯狂女人已将地球的坐标发给了三体，于是三体人派出庞大舰队向地球进发。冷锋发现周围玩这个网游的人突然暴增。
“老娘”还利用三体游戏组建了庞大的地球三体组织，企图和三体人里应外合接管地球，同时借机兜售假冒外星水、宇宙茶疯狂敛财。
冷锋带着那张光盘重返非洲调查，发现地球三体组织使得非洲的叛乱愈演愈烈，一片混乱。冷锋再次展示了用席梦思床垫挡武器的绝技，不过这次更威武，挡住了105毫米坦克穿甲弹。
冷锋仔细排查，发现原来“老爹”也是“老娘”三体组织的成员，而战狼2里在非洲肆虐的拉曼拉病毒正是他们按照三体人的指示，培养和传播出来以制造混乱的。
此刻，为了应付即将到来的三体舰队，地球人成立了联合政府，并且制定出更加庞大的“撤侨”计划——将整个地球撤出太阳系，让三体人扑个空。为此联合政府安装了巨型的重元素聚变地球发动机，准备将地球推出轨道。
三体组织探听到了这个消息，立刻通知三体舰队让他们加速赶往地球，同时疯狂扑向地球发动机的安装地点，企图破坏这一计划。冷锋则参与了“古筝计划”，与三体组织展开了殊死的搏斗。
由于三体组织的破坏，地球发动机安装缓慢。在即将完成的时候，三体舰队的第一波也达到月球轨道，而地球三体组织则突破防御，冲到了发动机附近。联合政府的士兵节节败退之际，一个女兵突然唱起了Amazing Grace。
冷锋被“老娘”及其手下绊住，眼睁睁地看着三体组织的人弹冲到了发动机喷口，准备引爆炸弹，就在这千钧一发之际，冷锋的好友钱老板奋不顾身地抱住人弹，与人弹同归于尽，保住了地球发动机。冷锋眼含着热泪按下了发动机的启动按钮，刹那间宇宙被发动机喷出的等离子体光柱照亮，光柱将地球推出了轨道，将喷口附近的大部分三体组织成员瞬间蒸发，同时也打得月球轨道上的樯橹灰飞烟灭。
“老娘”还在指挥剩余成员负隅顽抗。冷锋返回战场肉搏“老娘”。无意发现“老娘”的额头上有刺青，正是游戏光盘上的特殊标记。冷锋惊问，“龙小云是不是在你们手上？”“老娘”狞笑道：“不错！不过她和其她一批战俘都已经被三体人的先遣侦察飞船带回三体星球作研究了！这辈子你都甭想再见到她了！劣等的地球人永远是弱者！”
对冷锋来说，已不只是国家仇恨，而是私人恩怨。“那TM是以前！”他一把扯下挂在脖子上的光盘，甩手飞出，光盘瞬间刺穿了“老娘”的(。)(。)，再一次为龙小云复了仇。
经此一役，冷锋被任命为执剑人。在地球的漫漫旅途中，他的朋友非洲小朋友Tundu问道：“我们去哪里？”冷锋用手指向面前的星座图上的半人马座：“我们飞向那里。”Tundu惊恐地说：“三体人不就是在那里吗？”“苟利地球生死以，岂因祸福避趋之”冷锋淡淡一笑，“最危险的地方也是最安全的。三体人的后续舰队还在赶往地球，我们整个星球的人一起过去端了他们的老巢！那里还有我的未婚妻…”
这就是战狼3体：流浪地球之执剑人。