生活中有很多东西看上去都快如闪电,比如一辆赛车,比如一颗快速射出的子弹等等,然而这些速度与浩瀚的宇宙相比,都是微不足道的。
我们都知道第一、第二、第三宇宙速度,其实还有鲜为人知的第四、第五宇宙速度,这到底是怎么回事呢?今天我们就来一场极限之旅,看看宇宙中的速度与激情。
要想让一个物体离开地球,必须对它施加与地球引力方向相反的力,也就是让物体以加速度向上运动,当它达到一定的速度时,停止施加力,它就能靠惯性向前运动,离开地球。
但如果冲出地球的速度不够大,物体由于惯性只能绕着地球旋转,这个速度叫第一宇宙速度,又称航天器最小发射速度、航天器最大运行速度、轨道运行速度。
也就是说物体还没有完全脱离地球引力场的限制,这个速度大概是7.9公里每秒,我们熟悉的人造卫星的发射速度,航天器绕地球运行的速度,都是第一宇宙速度。
为了摆脱地球引力场,你需要加速。这就需要第二宇宙速度留学之路,也称为逃逸速度。它通常被描述为摆脱引力场的引力并飞离引力场所需的最小速度。在地球上,它是每秒 11.2 公里。
按照万有引力定律,如果一个物体在逃离地球的时候,恰好速度为0,那么它逃离地球之后,最终会到达距离地球无限远的地方。
也就是说,假设航天器在无阻力飞行的情况下第一宇宙速度,只要在初始时刻达到第二宇宙速度,就能保证脱离地球,并最终到达距离地球无限远的地方第一宇宙速度,并且初始时刻之后不需要再提供任何能量。
这将为人类探索宇宙节省不少飞行成本!不过,如果真的这么简单就好了。因为地球有稠密的大气层,对航天器的飞行有阻力,一开始人类很难以如此高的速度起飞。所以现在的航天器都是先离开大气层,然后再加速离开地球轨道。
当然,不同行星因为大小、质量、引力强弱不同,其逃逸速度也不同,比如月球的引力是地球的1/7,所以它的逃逸速度自然就很小,只需要以每秒2.38公里的速度移动,就能轻松摆脱月球引力场的限制。
小行星谷神星的逃逸速度要求是太阳系中最小的,仅需0.51公里每秒。
相比之下,太阳的逃逸速度则高得可怕,需要至少600公里每秒的速度才能离开,这个速度是子弹速度的600倍,音速的1700倍。
当然,宇宙中逃逸速度最高的物体自然是黑洞,其强大的引力场,连光都无法从中逃脱,所以逃逸速度自然就是光速。
第三宇宙速度
第三宇宙速度指的是最终脱离恒星系统引力范围所需的速度,对于地球来说,就是从地球表面出发最终脱离太阳引力范围所需的速度。
地球的第三宇宙速度约为16.7公里/秒,目前人类发射的唯一航天器是航海者1号。
它于1977年9月5日发射,2012年8月25日达到第三宇宙速度,成为第一艘穿越日球层、进入星际介质的航天器。不过,旅行者一号能够达到这一速度,并非靠燃料推进,而是利用行星的引力辅助效应。
重力助推效应又称重力弹弓效应,当航天器接近行星时,会受到行星引力的牵引,这就像拉紧弹弓的过程,航天器也会对行星产生引力影响,而直接运动效应就像航天器被行星弹开一样。
如果此时点火启动火箭助推器,就能把飞船推得更远,跑得越快,动能就越大。飞船经过木星和土星时进行了两次重力助推,获得了足够的动能,彻底摆脱太阳引力。
第四宇宙速度,为什么没人提及呢?
比第三宇宙速度更快的是人类至今还未达到的第四宇宙速度,是指从地球发射的航天器,能够摆脱银河系引力,飞出银河系所需要的最小初速度。
初步估计约为每秒110至120公里,但由于人类目前无法得知银河系的确切大小和质量,更不用说可能存在的暗物质,这个数字受到许多天文学家的质疑。
有科学家认为,第四宇宙速度应该在每秒320公里到525公里之间,不管结果如何,没有任何航天器能够达到如此惊人的速度,所以短期内,第四宇宙速度对于人类来说意义不大。
为了突破速度瓶颈,必须采用新的推进技术,如美国宇航局最新的帕克太阳探测器,其最高速度可达每秒200公里。
但它之所以速度这么快,是因为在靠近太阳的过程中,受到太阳引力的加速,速度越来越快。目前人类的加速技术根本无法实现。要达到第四宇宙速度,需要不断加速,所需的燃料非常惊人,这是人类暂时无法做到的。
换个说法,就算我们达到第四宇宙速度,飞出银河系也非常困难。想想旅行者号花了45年才飞出太阳系。就算我们达到光速,飞出太阳系也要一年。银河系更大,直径估计有10万到18万光年。光至少也需要一年的时间。
相对于光速,第四宇宙速度就如同一只缓慢爬行的蜗牛,还要经过几亿年的时间,才能飞出银河系,到那时,人类是否还存在都将是一个问题!
该数值并不准确,应用也不广泛,所以第四宇宙速度目前很少被提及。
第五、第六宇宙速度,人类对宇宙的探索永无止境……
另外,还有第五、第六宇宙速度,目前还只是概念。
第五宇宙速度是指航天器从地球发射时能够飞出本星系群的最小速度。由于本星系群的半径和质量没有足够精确的数据,因此无法估算数据量。
第六宇宙速度是指航天器以这样的速度从地球发射,能够摆脱我们超星系团引力的速度。由于我们超星系团的直径大约在1亿到2亿光年之间,不考虑技术、能耗等一系列客观条件,理论上需要接近光速才能飞走。
因此,这两种速度目前听起来更像是科幻小说的产物,并没有什么实际的应用价值。
很多人也很好奇,如果有一天我们的宇宙飞船真的能够接近光速,那将会怎样?
爱因斯坦的相对论告诉我们,任何物体的最大速度都不可能超过光速,当物体运动速度接近光速时,沿运动方向测量的长度就会越来越短,时钟走得越来越慢。
如果一个孩子骑着自行车以光速向你驶来,你会发现他的身体和自行车看起来又窄又瘦,而且随着他的骑行变得越来越窄。脚蹬和车轴的距离并不是保持一样的,而是时长时短。他的鞋子也是时长时短。这一切看起来就像一个魔术。
而就在他刹车停下的瞬间,他的身躯一下子就胖了起来。不仅如此,时间对他来说也慢了下来。在外面的我们看来,一年、几年甚至几十年已经过去了,但对于这个骑着自行车的小男孩来说,却只是一瞬间而已。
当然,这一切只是爱因斯坦相对论的推论,真相到底如何,还需科技的进步来为我们寻找答案!