生活中有很多东西看似快如闪电。比如:风驰电掣的赛车、快速出膛的子弹等。然而这些速度如果放在浩瀚无比的宇宙空间来讲,就显得微不足道了。
我们都知道第一、第二、第三宇宙速度,其实在此之上,更有鲜为人知的第四、第五宇宙速度。这又是怎么一回事呢?今天我们就来一场极限之旅,一起看一看宇宙中的速度与激情。
第一宇宙速度
要使一个物体离开地球,必须沿着地球引力相反的方向对它加力,也就是让物体向上作加速运动,当它达到一定速度时停止加力,它就能以惯性一直向前脱离地球。
但如果冲出地球的速度不够大,物体只能因为惯性环绕地球旋转,这一速度就被称为第一宇宙速度,又被称为航天器最小发射速度、航天器最大运行速度、环绕速度。
也就是说物体并没有完全摆脱地球引力场的限制。这一速度大概是每秒7.9公里,我们熟知的人造卫星的发射速度、航天器围绕地球公转的运行速度,都是第一宇宙速度。
第二宇宙速度
而要想摆脱地球重力场的束缚,就需要全面提速。这就需要第二宇宙速度,又称逃逸速度。它一般被描述为摆脱一个重力场引力束缚时,飞离重力场时所需的最低速度。在地球上为每秒11.2公里。
根据万有引力定律。如果物体恰好逃离地球时速度为0,逃离地球后最终它会到达离地球无限远处。
换句话说,假设太空船的飞行没有阻力,那么只要它在初始时刻达到第二宇宙速度,那么就能保证它能够逃离地球并最终到达离地球无限远处,在初始时刻之后并不需要继续提供任何能量。
这多节约人们探索宇宙的飞行成本啊!然而真要是那么简单就好了,因为地球表面有稠密的大气层,飞船飞行有阻力,人们很难初始就以这么高的速度起飞。所以目前的航天器都是先离开大气层,再完成加速脱离地球轨道的。
当然了,各个星球因为大小、质量、引力强度不同,逃逸速度自然也不相同。比如月球的引力是地球的1/7,它的逃逸速度自然也很小,只需要以每秒2.38公里的速度前进,就很容易摆脱月球重力场的限制。
太阳系里逃逸速度要求最小的,是小行星谷神星,只需要每秒0.51公里。
相比之下,太阳的逃逸速度就高的可怕了,至少需要一秒600多公里的速度才能离开,这一数字是子弹速度的600倍,是音速的1700倍。
当然,宇宙中逃逸速度最大的自然是黑洞,它强大的重力场,就连光也无法从中逃出,逃逸速度自然也就是光速了。
第三宇宙速度到了第三宇宙速度,就需要最终能够脱离恒星系引力范围所需要的速度了,对于地球,则是从地球表面出发,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 km/s。目前人类发射的航天器,只有旅行者1号。
它于1977年9月5日发射,到了2012年8月25日,达到第三宇宙速度,成为第一个穿越太阳圈并进入星际介质的宇宙飞船。然而,旅行者1号能够达到这个速度,也不是通过燃料推进造成的,而是利用了行星的重力助推效应。
重力助推效应,也称重力弹弓效应。当飞行器靠近行星时,它会被行星的引力猛地拉了一把。这就好比一个弹弓拉紧的过程。飞行器也会给行星一个引力影响,直接产生的运动效果就像飞行器被行星反弹出去一样。
如果在此时点燃火箭助推器,飞行器就能被推进得更远,而且运行速度越快,动能也就越大。行者1号在经过木星和土星时都进行了两次重力助推,从而才能获得足以完全摆脱太阳引力的动能。
第四宇宙速度,为什么没人提?
比第三宇宙速度更快的,就是人类尚未达到的第四宇宙速度了。它是指从地球上发射的飞行器能够摆脱银河系的引力束缚,飞出银河系所需的最小初始速度。
初步推算约为每秒110到120公里,但由于人类目前无法知道银河系的准确大小与质量,更何况还有潜在存在的暗物质,所以这一数字也遭到了很多天文学家的质疑。
有的科学家认为第四宇宙速度应该在每秒320公里到525公里以上。但不管哪种结果,目前人类没有一种航天器能够达到如此惊人的速度,所以短期内,第四宇宙速度对人类来说意义不大。
要想突破速度的瓶颈,就必须采用全新的推进技术。比如NASA最新言之的帕克太阳探测器,它的最快运动速度就达到了每秒200公里。
但它之所以那么快,是因为在接近太阳的过程中被太阳的引力所加速,越来越快了。目前凭人类的加速技术根本达不到。要想达到第四宇宙速度就需要不断地加速,所需要用到的燃料是惊人的,这是人类还办不到的。
退一步说,即使达到了第四宇宙速度,想要飞出银河系仍是难上加难,想想旅行者号飞出太阳系还用了45年的时间。即使达到了光速,飞出太阳系也需要一年的时间,银河系更大,直径推测得有100,000至180,000光年,就算是光也要走至少100000年。
而第四宇宙速度相比于光速来说,就像是慢慢爬行的蜗牛,飞出银河系也需要上亿年,到那时,人类还存不存在都是个问题了!
数值不精确、应用不广泛、所以目前第四宇宙速度很少被人提起。
第五、第六宇宙速度,人类对宇宙的探索,永无止境……除此之外,还有第五、第六宇宙速度,目前都仅仅是个概念。
第五宇宙速度指的是航天器从地球发射,飞出本星系群的最小速度。由于本星系群的半径、质量均未有足够精确的数据,所以无法估计数据大小。
第六宇宙速度是指在地球上以这一速度发射飞船,即可脱离本超星系团引力的速度,由于本超星系团的直径约在1~2亿光年之间,在不需要考虑科技以及能源消耗等一系列客观条件的影响下,理论上需要接近光速才有可能飞离。
因此这两种速度目前听起来更像是科幻小说的产物,没有什么实际应用价值。
也有不少人好奇,如果我们有一天航天器真的能够接近光速了,会发生什么呢?
爱因斯坦的相对论告诉我们,任何物体的最大速度都不能超过光速,当物体运动接近光速时,沿着运动方向测量的长度会变短,时钟则越走越慢。
如果一个孩子骑着脚踏车以光速向你驶来,你会发现他的身体和车子看起来都是窄窄瘦瘦的,而且越骑越窄。踏板和转轴并非保持着相同距离,而是忽长忽短,他的鞋子,竟然也是忽长忽短,这一切简直就像在变魔术。
而当他刹车停下的一瞬间,他的身体居然突然变胖了,不仅如此,他的时间也变慢了,当我们外面过了一年甚至几年、几十年的时光,对于骑着脚踏车的小男孩来说,也仅仅刚刚过去了不久而已。
当然,这一切,仅仅是爱因斯坦相对论中的推论。究竟事实的真相如何呢?还有待科技的进步为我们找寻答案!
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