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物理:在太空也要保持安全距离

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  电影《流浪地球》里,太阳即将毁灭,人类带着地球在太空中流浪,寻找新的家园。可是,单靠行星发动机,这个过程艰难而缓慢。人类决定冒险借用“引力弹弓”效应,从木星那里偷点速度,把地球“甩”出太阳系。谁知木星引力突然增大,将地球拽离既定轨道,地球和木星之间的距离小于“洛希极限”,地球将面临解体......
  等等,“洛希极限”是什么?差点撕碎地球的神秘力量又到底来自哪里?
  解体危机的幕后黑手
  要想理解洛希极限,先得从惯性力说起。乘车时,我们常常可以感受到惯性力的存在,其实是因为车突然加速,产生了向前的加速度,车里的人还保持着原来的前进速度,如果以车厢为参照物,看起来好像有一股力量把人向后拉,这股力量就被称为惯性力。
  当地球靠近木星时,受到了来自木星的引力,地球会在这股力的作用下朝着木星加速运动,相当于一辆正在加速的汽车,而地球上的物体就像汽车上的乘客,既受到木星的引力,又受到和木星引力方向相反的惯性力。由于惯性力大小和距离无关,而引力近大远小,因此地球上接近木星的一端所受引力更大,两股力的合力指向木星,而地球上远离木星的一端所受引力小,两股力的合力背离木星。
  这里提到的合力有它自己的名字——引潮力,又称潮汐力,它的大小就等于木星引力和惯性力之间的差值。
  潮汐力对我们来说并不陌生。如果你曾经去过海边,就应该见过海水涨潮和退潮的景象。语文课本里出现的钱塘江大潮,就是潮汐力的杰作。
  地球受到的潮汐力主要来自太阳和月球,因为月球距离地球更近,占据日月总潮汐力的三分之二。月球产生的潮汐力拉扯着地球,海水不断重新分布,于是每天会出现两次涨潮、退潮。除了最常见的海水潮汐,岩石圈每天也会起伏7~15厘米,叫作“固体潮”。
  当一个天体接近另一个天体时,近端和远端受到的引力大小不同,这种巨大的引力差形成了潮汐力。如果地球自身的引力足以抵抗这股潮汐力,地球就不会发生太剧烈的形变,地表的物体也依然可以停留在地面上。然而遇上木星这种质量远远超过地球的“重量级选手”,引力差距太悬殊,地球就难以保持自身的结构,从而面临解体的危机。
  严禁跨越的“三八线”
  正面刚不过,我躲远点还不行吗。要想不被潮汐力撕碎,质量小的天体(地球)就得和质量大的天体(木星)保持一个安全距离。划分这个安全距离的“三八线”,就是“洛希极限”。
  洛希极限是由法国科学家爱德华·洛希提出的,指的是小质量天体接近大质量天体时,能够维持自身结构不会解体的最小距离。一旦两者距离小于洛希极限,较小的天体就可能被撕碎。这些碎片一般有两种下场、一种是像土星环一样,形成围绕着大天体的一个环;另一种就比较惨烈了,可能会和大天体发生猛烈的撞击。
  最著名的就是1994年那场惊心动魄的“慧木相撞”。可怜的“苏梅克-列维9号”彗星突破洛希极限,被木星的潮汐力撕裂成20多块,最终撞击在木星上,相当于在木星上投放了20亿颗原子弹,撞击产生的疤痕能装下好几个地球。
  只要保持安全距离,小天体被撕碎的危机也就宣告解除,不过,在潮汐力的反复拉扯下,小天体也很容易被大天体“锁定”。就像是被大天体抓住肩膀,无法随意向后转动,久而久之,小天体自转和公转的周期趋于一致,从而成了大天体的卫星,最典型的例子就是月球和地球。如果两个天体质量差不多,也有可能相互锁定,譬如冥王星和它曾經的卫星卡戎。
  在希腊神话中,卡戎是冥王哈迪斯的船夫,负责摆渡死者的亡魂,两人是合作紧密的神祇。而冥王星和卡戎也始终保持同一个方向遥望着对方,如同一对老友,在无垠的太空安静相伴。
  《流浪地球》力学分析
  当地球在行星发动机的推力下,朝着一个方向运行,而木星的引力把地球拉向木星,地球承受的惯性力背离木星,加上地球自身还有引力,所有这些力的合力如果仍然朝向木星,地球就将面临解体。如果它们之间的合力在木星大气之外,地球将搭载这股力量的顺风车,以更高的速度向前运行。
  月球与地球的互相吸引
  地球和月亮之间的互相吸引,影响最大的就是地球上的海水。水的流动性很强,在月球和地球的互相拉扯下,海水会向月球的方向隆起。其实不仅是海水,地球上的大气和地壳都会受影响而产生变化,这种影响叫“大气潮”和“固体潮”。同时地球也在对月球产生强大的拉力,月球会产生变形。因为互相引力的合力朝向地球,地球会让月球朝向地球的一面隆起。月亮自转时,会让月球被拉扯变形的隆起背离地球而去。它自传一圈会被地球拉扯一次,最终导致月亮自传速度降到最低值,月亮被地球锁死。
  冥王星与卡戎的互相锁定
  和地月关系不同的是,冥王星和它的卫星卡戎质量相差不那么悬殊,距离也比较近,他们互相拉扯的时候,出现了奇怪的现象:他们彼此被对方的拉力牵扯,互相环绕,互相锁死,同步运动。在冥王星上看卡戎,只能看到卡戎的固定面,而在卡戎上看冥王星,看到冥王星的面也是固定的。它们好像固定在一根竹竿两端一起转动的小球。它们之间只有19570公里,比地球和同步卫星的距离35786公里小得多。如果地月之间的距离和关系如此,大概人类早就想在地球和月亮之间搭一座桥了。
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