2019 年春节，中国诞生了首部现象级科幻电影《流浪地球》，根据猫眼专业版数据显示，电影票房已达 5.53 亿，即将破 6 亿。
与其同期上映的电影有宁浩执导的《疯狂的外星人》、韩寒执导的《飞驰人生》，还有周星驰执导的经典 IP 续作《新喜剧之王》。在这样一个激烈的竞争之下，《流浪地球》在 2 月5 日当天斩获了 1.9 亿票房的好成绩。值得关注的是，《流浪地球》宣发费用占比只有《疯狂的外星人》 1/7，表明良好的口碑传播无疑在帮助电影取得票房成功扮演了关键角色。
本片导演郭帆在与好莱坞著名特效公司工业光魔交流时，对方问到在遇到地球毁灭时，为什么大多数美国科幻片会选择坐飞船逃离，而中国人要带着地球跑？郭帆则打趣的回答道，因为刚买了房子，中国房价贵，所以得带着房子离开。
毫无疑问，区别于过往的中国科幻电影，《流浪地球》是一部基于“硬科技”的“硬科幻”电影，而且与美国科幻电影奉行的个人英雄主义不同，是一部极具中国风格的作品。
很多人会觉得影片中为地球装上发动机的想法太过于科幻，离现实太远。但罗伯特·戈达德在 1926 年发射人类历史上第一枚液体火箭时，只飞了 56 米，而如今，人们对超远程、大载荷火箭也见怪不怪了。正如《流浪地球》的作者刘慈欣说的那样：“科幻小说让人类提前感知真实的未来，当科幻小说中的奇迹变成现实时，它就变成平淡无奇了。”
硬科技与硬科幻
在原著小说中，刘慈欣将流浪地球这一人类大逃亡分为如下五步：第一步，用地球发动机使地球停止转动，使发动机喷口固定在地球运行的反方向；第二步，全功率开动地球发动机，使地球加速到逃逸速度，飞出太阳系；第三步，在外太空继续加速，飞向比邻星；第四步，在中途使地球重新自转，掉转发动机方向，开始减速；第五步，地球泊入比邻星轨道，成为这颗恒星的卫星。人们把这五步分别称为刹车时代、逃逸时代、流浪时代Ⅰ(加速)、流浪时代Ⅱ(减速)、新太阳时代。
看起来是不是很简单很方便？但按电影的设定，为了到达 4.2 光年之外的比邻恒星，这一计划要花费 2500 年和整整 100 代地球人……
为什么电影没有采用《星际穿越》等美国科幻片惯用的时空跃迁、穿越黑洞之类？因为毕竟这次的“飞船”是整个地球，能顺利的飞过去已经是人们正常认知范围的极限了。而如果以常识推理，驱动地球肯定需要推力，而推力又需要发动机——这就是电影中最重要的科技之一：重聚变发动机。
图丨电影海报中的重聚变发动机喷射出蓝色的离子流（图源：《流浪地球》）
在小说和电影中均未交待所谓“重聚变发动机”的准确定义到底是什么，不过在原文中倒是对这种发动机有句简单的解释：“利用岩石中的硅元素进行核聚变反应，获得高能高压的等离子流。”所以可以将这种发动机理解为一套巨型的核聚变离子脉冲推进系统。而这种发动机是真实存在的，而且和电影中一样，也会喷出淡蓝色的光焰。
众所周知，火箭发动机工作时需要能量和工质（热能和机械能相互转化的介质）两种东西，而目前的火箭发动机主要以液态燃料和氧化剂作为推进剂，这种化学能推进剂同时担负能量和工质双重角色，这样做的好处是工程难度不高且能简化机械结构，但矛盾的地方在于，根据能量守恒原则，火箭比冲和喷射工质成正比，而目前的推进剂喷出速度在 3.5 千米/秒左右即达到瓶颈，而飞行器摆脱地球引力需要的第二宇宙速度则是 11.2 千米/秒，唯一的解决办法只能是增加推进器所携带的燃料。
图丨SpaceX猎鹰重型火箭升空瞬间（图源：SpaceX）
去年首飞成功的 SpaceX 猎鹰重型火箭的离地质量为 1420 吨，而它能送到近地轨道的有效载荷仅有不到 64 吨，有效载荷不到 5%；再如航天飞机再发射时的离地质量约为 2000 吨，而有效载荷仅为 100 吨左右，有效载荷率也不到 5%。而这个数据仅仅是到达地球轨道，如果将目标设为火星，粗略计算的有效载荷率将仅为 1 %左右……正因如此，“流浪地球”计划是要推动地球这个重达60万亿吨的“巨型飞船”，只能依靠目前所知并已实现的另一种推进方法：离子推进系统。
与小说中的情节设定一致，电影中也出现了挖掘岩石的大型矿场，目的就是收集大量的硅，这种地球上仅次于氧的第二大元素存用于核聚变，为地球上的一万两千台离子发动机提供动力。
图丨地球上“万机齐发”的壮丽场景（图源：《流浪地球》官方预告）
之所以说《流浪地球》算是一步“硬科幻”电影，正是因为电影中的“硬科技”是实际存在的，虽然技术的应用规模和电影中虚构的还差出几个太阳系。
还是以核聚变离子发动机为例，该技术从概念被航天先驱、液态燃料火箭的发明者罗伯特·戈达德（Robert Goddard）教授提出至今已过去了一个世纪。简单的说，离子发动机的工作原理是先将推进剂进行电离，再利用电场将离子加速喷出形成推力。
以 NASA 多年前开发的Evolutionary Xenon Thruster（NEXT）离子推进器为例，它使用氙作为推进剂，氙原子核和电子首先在电场的作用下分离，得到游离态的氙离子。之后，氙离子进入了推进器尾端的两片栅格构成的静电场中，被加速后高速喷出，形成推力。
那离子推进器目前能做到什么水平？
还是以 SpaceX 的猎鹰重型火箭为例，其一级火箭在真空状态下的比冲大概在 311 秒，而 NEXT 离子推进器的比冲已高达 4300 秒，是猎鹰重型火箭的 14倍。还有一种名为“场发射电推进”（FieldEmission Electric Propulsion，FEEP）的离子发动机，以液态金属铯作为推进剂，被一万伏的高压电场电离后，可以达到 1 万秒的比冲。
虽然目前的离子推进器从推力上看只有几十毫牛，也就能吹起一张纸而已，更别提脱离地球引力，但在诸如深空探索、星际旅行等真空状态下，经过长时间累积加速后，还是可以完成高速飞行及飞行器变轨等任务，目前已有很多的卫星及探测器搭载了不同种类的离子推进器。
图丨NASA的NEXT离子推进器，喷出和电影中一样的蓝色光焰（图源：NASA）
当然，目前的离子发动机还无法与化学燃料发动机的推力相提并论，但如果按电影中的设定，将目标设定为4.2光年之外的某颗恒星，这种超远距离深空探索选择以巨型离子发动机作为动力，还是有科学依据的。说完《流浪地球》中最重要的离子推进器，我们再来看看影片中出现的其他概念。
DT 君认为整部影片的高潮出现在地球开始接近木星时。按电影情节的设定，“流浪地球”计划的核心除了离子发动机之外，另一个关键就是借助木星的“引力弹弓”效应（或称“重力助推”效应），地球除了具备其初始速度外，还将叠加上木星的轨道速度，以高速被“甩入”寻找新恒星之旅。如果你对《星际穿越》中的情节还有印象，应该记得女主角所乘坐的飞船利用黑洞边缘的巨大引力弹弓效应完成加速并逃逸。同样的情节在《火星救援》中也出现过，“赫耳墨斯”号飞船为了在最短时间内返回火星营救同伴，同样也利用了地球引力的弹弓效应。
图丨“卡西尼”号的飞行轨迹及引力弹射示意图
同样，引力弹弓效应在人类的航天历史上也有实际应用，比如著名的土星探测器“卡西尼”号，如上图所示，在其1997年发射升空并于2004年最终抵达土星的旅程中，就经历了一次地球引力弹射、两次金星引力弹射及一次木星引力弹射。“引力弹弓”效应只会出现在质量差别很大的两个天体之间，木星质量是地球的318倍，所以和电影情节中讲述的一样，地球进入木星的引力范围后会被捕获，而捕获过程会先从吸附地球大气为开端，这一过程在影片中得到了非常直观完美的诠释，如下图：
图丨木星开始吸附地球大气（来源：《流浪地球》电影）
随着地球向木星靠近，引力效应变得越来越大，这里就又得扯出另外一个概念，也是影片中反复出现并作为地球即将毁灭倒计时的“洛希极限”（Roche Limit）。维基百科对于这一概念的解释是：“一个天体自身的重力与第二个天体造成的潮汐力相等时的距离。当两个天体的距离少于洛希极限，天体就会倾向碎散，继而成为第二个天体的星环。它以首位计算这个极限的人爱德华·洛希命名。”正是因为受到洛希极限的影响，影片中地球在越来越木星时，潮汐力开始撕裂地球上的一切，引起了巨大的地震，导致大量的离子发动机停机而无法为地球变轨以触发引力弹弓效应。
看到这里，DT 君有个疑问（此处包含剧透），为何在已经精确测算出洛希极限距离的情况下，地球联合政府为何没有事先采取措施预防发动机停机，而是任凭地球被木星引力撕碎？
但如果按电影情节所交待的，“流浪地球”计划原本就是个注定失败的计划，真正的目标是保全携带了人类受精卵、动植物 DNA 图谱、人类全部知识数据库的“领航员”号空间站，对损坏的离子发动机的全球大救援仅仅是留给地球上不明状况的吃瓜群众的最后一针“鸡血”，那倒也显得合情合理了。与前文提到的离子发动机、引力弹弓效应一样，由于洛希极限导致的天体解体或撞击确实发生过。
比较著名的案例就是 1992 年“苏梅克－列维” 9 号彗星（Shoemaker-Levy 9）在运动到距木星表面约 4 万公里时受到洛希极限效应的影响，被部分撕裂成碎片，在沿木星轨道运行两年后，终于在 1994 年与木星相撞，形成史上罕见的天文奇观。
图丨苏梅克－列维9号彗星受洛希极限影响，被木星部分撕裂成碎片
好了，写到这里，DT 君已将《流浪地球》中涉及到的最关键的三个科学概念大致介绍完了（如有剧透，纯属故意）。此外，影片中还出现了诸多其他热门的技术实践，比如机械外骨骼系统、人工智能、全语种翻译耳机等（曾入选麻省理工科技评论2018年“全球十大突破性技术”）。影片中出现的外骨骼系统原型机由好莱坞著名的特效工作室维塔数码（Weta Digital）负责打造，这种在影片中救援队人手一件的装备单件重量就有80斤，这对演员穿着这种装备进行长时间拍摄想必是个极大的挑战。
但外骨骼系统除了极具科幻感的炫酷造型，其的在影片中也起到了力挽狂澜的作用。在影片后半段，正是身着外骨骼系统的各国救援队员们用尽所有力量，才推动撞针启动了离子发动机的点火装置“火石”，并最终射出了拯救地球免于被撕碎的离子束。
图丨电影海报中身着机械外骨骼系统的救援队员（来源：《流浪地球》官方海报）
另外，火热的人工智能技术在影片中也有出现。影片中的人工智能系统被命名为“莫斯”。与诸多科幻片中出现的 AI 系统一样，莫斯也是冷酷的，所有事情都以成功概率分析及最高指令为行为准则，并用尽各种手段阻止人类的“冲动”和“非理性”行为，强制休眠、取消人类控制权限、阻止与地球通讯、故意隐瞒真相等，可谓为了保证任务最终目标的成功率而无所不用其极，哪怕牺牲人类的生命。
莫斯在影片中各种阻挠人类未果后，说了一句令人忍俊不禁却又值得深思的一句话：“让人类完全服从理智，真是一种奢求”……
末日三部曲（略有剧透，慎入）
电影《流浪地球》改编自2008年发表的刘慈欣末日三部曲中的短篇小说《流浪地球》（其余两作为《微纪元》和《超新星纪元》）。
该电影讲述了太阳急速衰老膨胀，人类为了拯救地球，在地表安装了大量的推进器，企图将地球推进至 4.3 光年外的半人马座比邻星附近，整个推进的过程需要花费 2000 余年。在原著中是这样描写的“太阳的烟花已向主星序外偏移，氦元素的聚变在很短的时间内传遍整个太阳内部，由此产生一次叫氦闪的巨蟹爆炸，之后太阳变为一颗巨大的红巨星。事实上在这之前的氦闪爆发中，我们的星球已被汽化了。”
图丨电影海报（图源：《流浪地球》官方海报）
电影的背景故事非常短，刘慈欣也没有着墨于辞藻。相反，他用一种直白且硬核的方式把末日“强塞”给了读者和观众。这种做法在 2008 年并不讨好，因为同时期，市场更愿意接受韩寒的《独唱团》和郭敬明的《小时代1.0折纸时代》那样较为委婉的写作手法。说回正题，这个将地球推进至另一个生存环境的项目，便是流浪地球计划。电影虽然改编自小说《流浪地球》，却没有全部按照小说的结构来走。
电影的故事与其说是一部灾难片，不如说是一部公路片更为准确。人们在流浪地球计划启动之后的时间里碰上了意料之外的灾难，刘启、王磊等人组成了一个团队，以地球视角展开讲述地球上发生的灾难，而刘启之父刘培强，则是以领航员号视角展开讲述了太空，以及流浪地球幕后隐藏的事情。剧情逻辑和灾难电影《2012》有些类似，在末日下挽救全人类这个宏观描写之下，通过微观角度的发现问题与解决来将情感贯穿在整个电影之中。
除了最终主角一行人化解地球危机的皆大欢喜，电影也将亲人的离别，为了全人类的个人牺牲等情感呈现给了观众。在刘慈欣笔下，人类面对灾难时是极度统一的，电影《流浪地球》也是如此。这和一些经典的末日题材电影不同，如《未来水世界》、《雪国列车》、《疯狂的麦克斯4》，反倒是和《魔兽世界之大灾变》等游戏作品相近。这是因为原著小说和电影都不是长篇连载形式，没办法承载庞杂的人物关系，也是为了将微观的个人心理变化突出。
电影最终在一个悲喜交加的结尾中划上了句号，喜是指地球的危机解除了，悲是指牺牲与离别。这不禁让人联想到了《战锤40K》中的名言“帝国的根基立于牺牲之上”。流浪地球演绎的也是一场战争，只不过不是人类与人类之间的，而是人类与命运之间的抗衡。
-End-
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