火箭飞出地球速度 能逃离太阳系的速度被称为第几速度


火箭飞出地球速度 能逃离太阳系的速度被称为第几速度

文章插图
本文参加 #科学了不起# 系列征文赛 。
如果我们希望将火箭送到太空但发射速度太慢,那么火箭将没有足够的动能来挣脱地球的引力场 。反之,如果火箭的速度恰好足以逃离地球引力的拉扯,我们就说它已达到了逃逸速度 。火箭从诸如行星之类的大质量物体上逃离时,行星质量越大,火箭距行星的质心越近,逃逸速度也就越大 。逃逸速度Vesc可以写成,其中M是行星的质量,R是火箭与行星质心的距离,而G是被称为牛顿引力常数的自然常数 。重力作用总是将火箭拉向行星或恒星的中心,朝向被称为质心的点 。
不过,逃逸速度的取值与火箭的质量完全无关 。因此,不论其内部载荷是几根羽毛还是几台三角钢琴,从距离地球质心约6400千米的卡纳维拉尔角发射的火箭都具有相同的逃逸速度,也就是11千米/秒多一点或约为声速的34倍(可以写为34马赫) 。现在假设我们可以压缩地球的全部质量,使它占据更小的体积,假定它的半径变为其当前的四分之一 。如果火箭发射处距离质心6400千米,其逃逸速度将保持不变 。然而,如果它重新放到距质心1600千米的压缩后的地球的新表面,那么逃逸速度将会是原始值的两倍 。现在假设某些灾难的发生导致地球的全部质量都收缩到了一个点,我们把这样的物体称为奇点 。
【火箭飞出地球速度 能逃离太阳系的速度被称为第几速度】
火箭飞出地球速度 能逃离太阳系的速度被称为第几速度

文章插图
它现在已经成了一个“质点”,一个占据空间体积为零的有质量物体 。在距这个奇点只有1米左右的地方,逃逸速度将远大于在1600千米处的取值(实际上将约为光速的10%) 。离奇点更近,略小于1厘米的地方,逃逸速度将等于光速 。在这个距离上,光本身没有足够的速度来逃离引力的拉扯 。这是理解黑洞性质的关键思想 。对“奇点”一词的用法值得明确 。我们不相信在持续的引力坍缩的终点,物质会变成某个几何点;正相反,我们会发现经典引力理论失效并进入量子体系 。从这里开始,我们将使用术语奇点来指代这种极其致密的状态 。
现在想象你是一名驾驶宇宙飞船的宇航员,并且正在接近这个奇点 。当距离它还有一段距离时,你可以随时将发动机反转并逃之夭夭 。但是距离越近,就越难体面地撤离 。最终你会到达一个无论装载的发动机有多强大都无法逃脱的距离 。这是因为你已经到达了事件视界,这是一个用数学方式来定义的球面,它也被定义为内部逃逸速度超过光速的边界 。对于我们关于地球坍缩到一个点的思想实验而言,这个表面将是一个以奇点为中心,半径只有1厘米的球面,这对我们的太空船来说可能很容易避开 。然而当黑洞由恒星而不是行星坍缩形成时,事件视界会变得更大 。
事件视界有一个重要的物理效应:如果你在那个表面之上或者里面的话,物理定律根本不允许你逃离,因为这样做你需要打破普适的速度限制 。事件视界是一个强制性的标界:在它之外你有决定你命运的自由,而在它之内你的未来将被锁在里面,不可改变 。这个球面半径被称为史瓦西半径,是为了纪念前面提到的卡尔·史瓦西 。作为第一次世界大战中的一名士兵,史瓦西得到了广义相对论中著名的爱因斯坦场方程的第一个精确解 。史瓦西半径写为Rs=2GM/c2,其中M是黑洞的质量,G是牛顿引力常数,c是光速 。根据这个公式,地球的史瓦西半径还不到1厘米 。
火箭飞出地球速度 能逃离太阳系的速度被称为第几速度

文章插图
以此类推,太阳的史瓦西半径为3公里,这意味着如果我们的太阳被压缩成奇点,那么距这一点仅3公里之处的逃逸速度就将等于光速 。一个质量是太阳质量10亿倍的黑洞(具有109太阳质量)将使史瓦西半径扩大10亿倍(一个无旋转的点质量的史瓦西半径与其质量成正比) 。正如前文所述,这些巨大的黑洞被认为存在于很多星系的中心 。在牛顿物理学中,这种对事件视界的描述是合理的 。事实上,在爱因斯坦和其他我们提到的人之前几个世纪,类似黑洞的物理实体是被想象出来的,而它们深刻地改变了我们对空间和时间的理解 。最早想象出类似黑洞的“暗星”的人是18世纪的约翰·米歇尔(John Michell)和皮埃尔·西蒙·拉普拉斯(Pierre Simon Laplace),而现在我将解释他们做了什么 。
天文学的一个非凡之处在于,即使你被困在地球上也能发现关于宇宙的很多事情 。例如,没有人曾经游览过太阳,然而在19世纪后期通过分析太阳光谱探测到了太阳中存在的氦 。需要特别注意的是,这也是氦元素本身被第一次发现;它在太阳上被发现的时间要比在地球上被探测到早得多 。在更早的18世纪,关于黑洞背后的一些想法就开始形成了,特别是关于所谓的暗星的概念 。人在很大程度上是他那个时代的产物,那些饱含奇思妙想、迈出第一步的人都是这样 。

推荐阅读