2019年被称为中国科幻电影元年，原因自然是大年初一上映的电影《流浪地球》。作为首部改编自刘慈欣同名小说的电影，新年期间票房大涨。这部电影虽然还有一些进步空间，但总体来说还是可取之处多于缺陷，为中国科幻树立了新的标杆。不过，很多朋友也表示，看完之后感觉需要补补物理课了。其实《流浪地球》里面的物理知识还是挺多的，看电影之前何不先学点预备知识呢？（不剧透，请放心观看）
逃逸速度
说到逃逸速度，我想大家肯定会想到高中物理里的第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度，忘记的同学可以在这里复习一下。第一宇宙速度是指航天器以地球引力作为向心力，绕地球做圆周运动所需要的速度，也就是地面上的航天器刚好能绕地球做圆周运动的速度。第二宇宙速度是指航天器可以脱离地球的控制，成为太阳的行星的速度。第三宇宙速度是指行星脱离太阳的控制，飞向浩瀚宇宙所需要的最小速度。
流浪地球的逃逸速度指的是地球逃离太阳系所需的速度，而不是航天器逃离太阳所需的速度，因此其计算方法与第二宇宙速度类似。
如果读者有兴趣自己算一下，小编将八大行星的相关信息奉上，值得一提的是，八大行星并不是真正意义上的圆周运动，而是准圆周运动。
汞 -
轨道周期约为88天；平均轨道速度：47.87公里/秒
金星 -
轨道周期约为224.7天；平均轨道速度为35.03公里/秒
地球 -
轨道周期约为365天5小时48分46秒；平均轨道速度：30公里/秒
火星 -
轨道周期约为686.98天；平均轨道速度为24.13公里/秒
木星 -
轨道周期约为11.86年；平均轨道速度为13.07公里/秒
土星
轨道周期约为29.6年；平均轨道速度为9.69公里/秒
天王星
轨道周期约为84.3年；平均轨道速度为6.8公里/秒
海王星 -
轨道周期约为165年；平均轨道速度为5.43公里/秒
有读者可能还记得，第三宇宙速度是16.7km/s，地球自身的公转速度已经达到30km/s，已经大于脱离速度了，为什么还在自转呢？其实，这三个宇宙速度都是针对从地球发射的航天器而言的，它们的速度是相对于地球公转而言的。如果我们以地球本身作为诺亚方舟脱离太阳系，只需要瞬间加速到42.4km/s，与地球公转的动能相比，我们还需要获得2.7倍的能量。
行星绕恒星做圆周运动所需的向心力是由引力提供的，距离太阳越远，太阳对行星圆周运动的影响就越小，行星就越容易逃离太阳！
说到逃离太阳系，我自然而然地想到了卫星变轨。说实话，地球逃离太阳系的计划和卫星变轨差不多，不同之处在于卫星加速后会进入椭圆轨道，到达远地点后继续加速进入半径较大的圆形轨道。地球要彻底逃离太阳，需要一路加速到脱离速度。
恒星演化
所有恒星都是由气体和尘埃云（通常称为星云或分子云）的坍缩而诞生的。在数百万年的生命周期中，这些原恒星逐渐进入平衡状态，成为所谓的主序恒星。恒星的大部分生命都由核聚变提供动力。恒星的寿命与其质量密切相关。最初，能量是由主序恒星核心中氢原子的聚变产生的。后来，随着核心中的大部分氢原子变成氦，像太阳这样的低质量恒星开始沿着核心周围的球壳进行氢聚变。这个过程使恒星逐渐变大。当恒星核心中的氢燃料耗尽时，核反应将无法继续，核心开始因自身引力而坍缩。恒星到达红巨星阶段，走向生命的终点。
一旦像太阳这样的恒星耗尽了核燃料，其核心就会坍缩成致密的白矮星，外层会形成行星状星云，而内核则会冷却下来变成黑矮星。质量至少为太阳一半的恒星也会开始通过核心中的氦聚变产生能量，像太阳一样，它们最终也会变成黑矮星。超大质量恒星可以在一系列同心壳层中从核心向外聚变较重的元素，直到出现 Fe。质量约为太阳质量十倍或更大的恒星将继续发生核反应，其核心将出现更重的 Fe 核。随着 Fe 的积累，恒星将不再有任何元素可聚变，最终会爆炸成为超新星，而其惰性铁核会坍缩成极其致密的中子星或黑洞。
重元素聚变
在《流浪地球》中，最引人瞩目的，大概就是遍布半个地球的等离子发动机了。推动地球前进，能量从何而来？影片给我们的答案是“重元素聚变”。要了解什么是“重元素”，首先要了解核聚变的概念。
核聚变又被称为人类的“终极能源”，是指两个较轻的原子核合并成一个较重的原子核，同时释放出巨大能量的过程。核聚变中一个重要的概念叫“特定结合能”，核子（质子或中子）结合成原子核时，会释放出能量，每个核子释放的平均能量叫“特定结合能”。图中特定结合能最高位置对应的元素为56Fe。质量数较低的元素在聚变过程中会释放能量，释放的能量可用爱因斯坦质能公式计算出来。
以氢的同位素氘为例，1升海水中氘聚变释放的能量相当于300升汽油。如果只以海水中的氘来计算，全世界的海水可供人类使用几亿年甚至几十亿年。而氘聚变仅消耗1升海水中不到0.02%的重水。可以想象，如果能聚变更多的元素，所能释放的能量将不可估量。
重元素聚变中的“重元素”其实是指除氢及其同位素之外的所有元素。当然，如果要聚变释放能量，所用元素的质量数要低于56Fe，也就是所谓的“燃石”。如果重元素聚变真的能实现，改变地球的运行轨迹，甚至让地球在宇宙中长久“流浪”都不再是梦想。
不过，这里的重元素聚变其实隐含着一个条件，就是“可控”。就聚变而言，氢弹中已经实现了氘氚聚变。不过，氢弹的能量是瞬间释放的，如果要作为燃料使用，就需要控制聚变反应的速率，这对今天的人类来说仍然是一个巨大的挑战。即便是最简单的氘氚聚变，我们也没有实现持续稳定的能量输出。重元素聚变意味着原子核的质量更高，电荷数更大，要求的条件也会更严苛，恐怕有生之年也只能在科幻小说里看到。
重力弹弓
除了重元素聚变，另一个重要的能量获取方式就是引力弹弓。“引力弹弓”可以简单理解为两颗行星之间的弹性碰撞，通过碰撞将目标行星的能量传递给地球，只不过这种行星碰撞是由引力引起的。以下是维基百科的引力弹弓示意图
图中，由于目标恒星的质量远大于地球，所以向地球传递的速度是2U。实际的引力弹弓过程比这复杂得多。地球在引力作用下的轨迹应该是双曲线，所以实际的偏转角度应该严格在0到180度之间高中物理地球密度，传递的速度会小于2U。比如只能偏转90度，得到的最大速度只有U。
其实对于引力弹弓来说，在同样的速度下，最近经过的距离越近，偏转角度越大，获得的能量也越多。可以证明，在高速的情况下，获得的能量只和最近经过的距离有关。直观上也容易理解，引力弹弓的加速度是靠引力传递的，距离越近，引力越大，但在实际的加速过程中，距离越近越好。这就涉及到另一个概念：洛希极限。
洛希极限
洛希极限可能是《流浪地球》中大多数人听过最陌生的名词了。顾名思义，这是法国物理学家爱德华·洛希计算出来的极限。其意义在于，当两个天体之间的距离小于洛希极限时，较小的天体会被较大天体的引力撕裂。
之所以有这样的限制，是由于潮汐力的作用，这里的潮汐不是指海洋的潮汐，而是指小天体受到的不均匀引力。
由于引力与距离的平方成反比，距离大天体越近的一端引力越大高中物理地球密度，反之，距离大天体越远的一端引力越小，两端引力的差值就是潮汐力。不仅如此，距离大天体越近，潮汐力就越大，当距离达到洛希极限时，潮汐力就等于天体本身的引力，再靠近一点，就会被撕裂。
或许你会奇怪，为什么我们在日常生活中从未见过其他物体被地球潮汐力撕裂的现象呢？这是因为我们身边的物体一般都是靠化学键结合在一起的，化学键的强度非常大；而大部分天体则是靠引力结合在一起的。虽然我们身边的物体非常的坚固，但是从宏观上看，地球的完整性还是靠引力维持的。就像木桶效应一样，正是键的最薄弱部分决定了地球的洛希极限，当达到引力洛希极限时，地球最薄弱的部分就会最先坍塌，分解成作用力更强的小天体。土星环的形成，就是因为土星的引力撕裂了一些小行星，这些小行星的碎片就构成了土星环。而且，在浩瀚的宇宙中，引力并不总是一个弱的角色，比如在黑洞周围，潮汐力就非常强，即使是靠化学键结合在一起的物体，在黑洞的引力下也会被撕裂成碎片。
但由于洛希极限的精确计算十分复杂，所以我们在计算中一般采用刚体洛希极限和流体洛希极限。一般来说，小天体在接近过程中会受到潮汐力的拉伸，使得近端和远端的引力差进一步增大。为了简单起见，假设小天体不会受到潮汐力的牵引而发生变形，则可得刚体洛希极限。流体洛希极限则假设天体在牵引过程中为理想流体，计算过程相对复杂，一般为刚体洛希极限的两倍左右。一般天体的洛希极限介于刚体和流体之间。
总结一下：在引力弹弓的加速过程中，为了获得最多的能量，地球应该尽可能靠近，但由于洛希极限的存在，地球也不能靠得太近，最理想的距离是在流体洛希极限之外。但单次引力弹弓所获得的能量也是极其有限的，而且会改变地球的轨迹，需要路线与引力弹弓极其一致。小编认为，如果真想在宇宙中“遨游”，引力弹弓只能作为辅助，如果人类掌握了受控核聚变，从其他星球获取材料作为聚变燃料应该是更稳定的方案。