《流浪地球2》科学顾问带你“流浪月球” | 梁文杰_风闻

原创：中科院物理所

一、欲流浪地球，必先流浪月球？

在电影《流浪地球2》中出现了推离月球的剧情，**宇宙这么空旷，为什么不能带着月球走啊？**八月十五可是我们文化传统重要的一个节日。你们去年的宣传画里月球还存在呢。郭帆导演，大刘老师？

去年八月十五《流浪地球2》的宣传画

流浪地球当然是一个艰（悲）险（催）的过程，抛开感情不说带不带小弟走需要考虑的因素有几点。

第一点我们必须认识到生物圈非常脆弱，远比地球本身脆弱的多。据估算，当年导致恐龙大灭绝的原因是一颗小行星突破大气层撞在地球表面，地球安然无恙，但统治地球的霸主完全灭绝。这颗小行星的直径是10公里。为了避免类似的风险，近来有能力的国家陆续开展了近地小行星观测任务，防患于未然。认真的说，地球要流浪关键是避免几百米以上的陨石和小行星与我们的密切接触。（当然还要避免《流浪地球》中出现的那种地球落入木星怀抱的危机）

嫦娥二号距地700万公里外拍摄的近地小行星图塔蒂斯的系列照片，长4.5公里，宽2.4公里，厚1.9公里。杀手级。

第二点我们流浪的路线必定要穿越火星，小行星带，木星，土星，天王星，海王星的轨道。 以及海王星外的太阳系柯伊伯小行星带，最后进入奥尔特原始星云。这是太阳系的形状决定的。天空中大到星系，小到恒星系，在形成阶段都因为内部物体的相互引力与运动形成一个圆盘形状。我们晚上观察金星木星土星火星的运行，会发现他们与太阳都在大体一个天球轨道上，叫黄道。这是地球与所有行星都在一个轨道平面，围绕太阳旋转的证据。地球每穿越一个轨道就是一关。

太阳系八大行星处于一个平面，地球逃逸也离不开这个平面。

第三点是所有的行星小行星卫星之间都有相互吸引力，叫万有引力。当然我们人彼此之间也有万有引力，只不过力量太小，不足以影响我们彼此其他的“吸引力”或者“排斥力”。地球和月球之间的引力也非常大。地球对月球的吸引导致月亮不断绕地球旋转才不会掉下来，而月球对地球的吸引力在地面产生潮汐作用，潮汐每月一个循环，与月亮绕地球一圈的周期相同。在地月的这个稳定结构中，如果加入一个小行星，结果不可预知。

地月互相吸引，月球离不开地球，月球也引起地球上潮汐现象。

潮汐是月球引力引起地表面重力周期变化，海水周期产生的定向流动。

如果地球带着月球流浪，就有点像脚上拴个铁球赛跑。这个链子还非常长，38万公里。相比较而言，地球半径才六七千公里。这就相当于地球在穿越各个行星轨道的时候截面积增大3000倍。中间遇到什么天体都可能被地月引力共同捕获。这个天体只要达到一公里大小就足以对地球生物圈产生危害。这是带着月球流浪的最主要危险。

十公里的小行星坠落地球引起生物灭绝的想象图

其次，同样麻烦的是如果地球流浪要经过大行星，比如木星，甚至准备利用大行星的运动作引力弹弓，使得地球被更快地甩出太阳系。那么带着月亮就意味着更不可预知的三体问题结果，一种可能是月亮先被俘获然后带动地球后被俘获，即使不会像《流浪地球》中那样可能被木星撕裂，想逃离大行星的引力场也是非常困难的事情，何况轨道会很不稳定，不可解。

电影《流浪地球》中地球经过木星附近差点被木星撕裂。想象一下在这里面加个月球。

再次，地月作为一体推离太阳系要付出的能量比单推地球出太阳系要多1/81，地球总发动机数一万台，也就是要多安装123台行星发动机。星际航行挫折很多，能省则省。再说我们是在月球上建造十公里高的巨型机械。

按照剧情设定地球发动机一万台，若带上月球需要再增加建造123台，还是在遥远的月球。

最后，地月是围绕着共同的质心运动，而这个质心与地心不重合，地球在太阳系的运动轨道并不是一个平滑的圆，而是沿着一个大圆轨道周围不断地振动。如果要求地球沿着一个平滑的轨道逃离太阳系，那么要求地球上的全部发动机要不断地变换功率来抗衡地月质心与地心不同产生的偏心。这确实有点像拖着铁链跑步，一定跑得像一个醉汉一样。

囚犯带着脚链就是为了阻碍他逃跑

工程上，这种具有巨大风险的因素一般要预先排除。当然我们地球与太阳系告别，把月亮留在地球轨道上做代表，也算我们对孕育我们的母星系做最后的致敬。

太阳母亲，我们走了。46亿年的恩情就让月亮代替我们偿还吧。

手稿，描述月球离开的过程。

二、流浪月球计划合理吗？

《流浪地球2》电影中给月球设置了三台发动机。这是怎么思考的？合理吗？

在电影《流浪地球2》中出现了三台月球发动机。严肃地说，地球拥有一万台行星发动机，月球只拥有三台发动机？好像并不合理？

《流浪地球2》三台月球火箭发动机点火

**这个首先要考虑地球月球质量的差别。**地球的质量是大约60万亿亿吨，是伟大的科学家卡文迪许1798年通过测量两个铅球之间的万有引力大小，考虑地球引力等比例推算出地球质量获得。而月球质量通过在月面测量引力系数可以获知月亮质量大小，大约是7千亿亿吨，相差81倍。这样看好像地球自己拥有一万台发动机，而试图用三台发动机推走月球似乎太草率了。一万除以81，应该是123台。

地球行星发动机点火盛况

123台发动机，这个数字太大了，当初我们算到这里也觉得非常不合理。地球上建造一万台发动机是一回事，在月球上建造一百台发动机，考虑到月球上没有空气不适于人类大规模生存，绝大部分仪器部件都需要从地球上搬运。月球离地球三十八万公里，来回一趟相当于绕地球20圈。地球上一台行星发动机十公里高，要在月球无生存环境中建造一百台发动机哪怕是未来世界也是几乎不可能完成的任务。

2017年中国发射嫦娥五号采集了两公斤月表样品返回地球。嫦娥五重8吨，大约五米见方。可见地月旅行之难

作为义无反顾的项目，我们只能以这种态度推测“未来”的科学家和工程师：“所有的办法都想了，唯独没想过失败。”

月球视角看地球

幸运的是，后续的计算表明：三台发动机大约是够的。其中最主要的原因竟然是地球和太阳在这里面重要的区别。流浪地球计划是要把地球推离太阳系，而“流浪月球“工程只需要把月球推离地球引力之外就可以。那需要的能量又可以大大消减。万有引力告诉我们，吸引力与质量成正比。太阳质量是地球质量的33万倍。让地球摆脱太阳的影响要比让月球摆脱地球的影响困难的多。经典力学指出：我们把一个物体推出束缚它的引力场所需能量大约与它动能相当，是引力势能的一半。如此任何一个常人都可以估算出”流浪月球“所需能量大约是流浪地球所需能量的五万分之一。所以看上去只需要五分之一台行星发动机就可以了。

月球并不需要跟着地球流浪，节省了很多工作

实际上还有一个因素制约我们：我们大约知道地球离开太阳系花费了一百年。如果用上面那个逻辑类推：五分之一台发动机推动月球离开地球也需要一百年。。。那就失去了流浪地球前先流浪月球的意义。当然用的发动机越多，“流浪月球“完成时间越快。使用三台功率略小于地球行星发动机的引擎，可以大约在七年中完成把月球推离地球的工作。七年，是个可以接受的设定。**七年，人类斩断离开太阳系的第一根脐带。**然而郭帆导演可能觉得太简单了。。。

《流浪地球2》预告片中月球场景

三、如果月球坠落地球会发生什么

如果月球撞击地球，地壳会重新熔化

前文说明放逐月球的原因和考虑。按照电影计划使用三台发动机把月球推走，其实如果可以，使用四台发动机，致敬人类第一颗地球卫星斯普特尼克。

人类第一颗人造卫星有四个天线

前文并没有提到真正的月球危机是月球发动机失控，导致推力不平衡。月亮在表面一个发动机的推动下，逐渐转向并朝向地球撞来。那如果真正的月球撞来，地球会怎样？能不能靠无数1130那样的密集阵近防炮利用每分钟一万一千发的射速打碎月球碎块拯救地球？

人类经常忧虑自己对地球的影响，比如全球变暖。在前文阐明了我们担心的行星灾难其实主要是生物圈灾难。比如一颗直径十公里的小行星撞击了地球，之前称霸地球1.7亿年的恐龙一朝灭绝，但地球安然无恙。（小说《三体》中常伟思将军问汪淼：你一生中遭遇过什么重大变故吗？恐龙肯定会抢答：有的！）人类需要拯救的是人类自身。而不是地球。

那么直接说如果月球撞击地球会有什么灾难。首先这个影响是全球变暖无法比的。月球距地三十八万公里，质量73亿亿吨。通过势能和动能的转化关系简单估计下，月球到达地球表面附近会携带的总动能高达3500000亿亿亿焦。

这个数可能不太直观。这么说吧，灭绝恐龙的那次十公里的天外来客总共释放了相当于80万亿吨TNT当量的核弹能量，人类最大的核弹也只有一千万吨当量。而上面那个数字相当于一千万个灭绝恐龙级别的小行星撞击地球。

**只是灭绝生物吗？**我们再比较几个数字，地球表面水的总质量大约14000亿吨，把这些水全部加热到沸腾只需要上面那个数字的十分之一不到。也就是月球撞地球余波就可以让地球表面水分全部气化跑出去。

如果再深究，地球结构是由地壳地幔地核组成，我们所站立的地表下就是厚度20到70公里的地壳岩石。用平均数40公里估计，上面那个月球撞击释放的能量不但能把地壳撞个粉碎，而且足以把整个地壳重新融化。

如果我们以前讨论的都是生物圈的灾难，月球撞地球才是真正行星级的灾难。

当然月球落入地球前因为洛希极限的存在，月球和部分地球会因为两个星球的互相吸引在内部极度不平衡导致解体，月亮会被扯碎。你猜对于直径3500公里的月球，扯碎后直径大于灭绝恐龙那个十公里小行星的碎块数目会有多少？更不用说能不能用快速炮消灭危险了。

我记得当初导演组丢出这个概念的时候我们的第一反应是导演真敢想。如果月球真的落入地球，那就没有什么流浪地球计划了。