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        如何突破引力的束縛

        2019-03-04 09:00:48牧來(lái)
        大科技·百科新說(shuō) 2019年11期

        牧來(lái)

        無(wú)處不在的引力

        引力是一種自然界普遍存在的力,它讓所有的物體都相互吸引,如同一個(gè)個(gè)漩渦,物體質(zhì)量越大,這個(gè)漩渦越深,越容易把周圍的物質(zhì)卷入;物體間距越遠(yuǎn),引力越小,反之越大。正是由于引力的作用,氧氣、氮?dú)?、二氧化碳等氣體才能在地球周圍聚集成厚厚的大氣層,為地球生命供氧、保暖,我們也能牢牢地站在地表上,不會(huì)飄到充滿危險(xiǎn)的宇宙中。

        不光是在地球,引力在宇宙的每個(gè)角落都發(fā)揮著作用:月球受到地球的引力,終日圍繞地球旋轉(zhuǎn);地球和其他太陽(yáng)系行星、小行星受到太陽(yáng)吸引,繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn),享用著太陽(yáng)釋放的能量。

        即使是一顆小小的蘋果,對(duì)地球也有引力,只是相對(duì)于龐大的地球而言,這個(gè)引力微乎其微。

        月球是地球的衛(wèi)星,它的質(zhì)量可不像蘋果那樣能夠被忽略,它對(duì)地球有著不小的引力。海浪具有漲潮、退潮的“潮汐現(xiàn)象”,原因之一就是月球的引力。

        看來(lái),引力既能為生靈提供庇護(hù),又使宇宙變得井然有序,對(duì)人們的生存十分有利。但另一方面,引力也使我們無(wú)法離開(kāi)地球、探索宇宙。隨著科技的進(jìn)步,人類發(fā)明了火箭和宇宙飛船,飛向了外太空。它們是如何掙脫地球引力束縛的?

        地球受到的月球、太陽(yáng)引力較強(qiáng)時(shí),海水表現(xiàn)為漲潮(上圖);受到的引力較弱時(shí),表現(xiàn)為退潮(下圖)。

        突破引力

        假設(shè)你在扔一顆球,扔球的力量越大,球的速度越快,飛得也就越遠(yuǎn)。想象一下,如果你獲得了超人般強(qiáng)大的力量,這時(shí)你鉚(mǎo)足了勁,把球丟出去,會(huì)發(fā)生什么呢?如果力量足夠大,球會(huì)飛得很遠(yuǎn),甚至不再回到地球上。

        雖然現(xiàn)實(shí)中,人類不可能擁有這么強(qiáng)大的臂力,但人們可以讓火箭不斷加速,對(duì)抗地心引力。經(jīng)過(guò)計(jì)算,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),當(dāng)航天器的發(fā)射速度為7.9千米/秒時(shí),就可環(huán)繞地球飛行;超過(guò)11.2千米/秒時(shí),就能突破地球引力的束縛,開(kāi)始繞太陽(yáng)飛行;超過(guò)16.7千米/秒時(shí),就可以告別太陽(yáng)系,飛入廣袤的宇宙空間。這些速度也分別被稱為第一、第二、第三宇宙速度。

        如今,達(dá)到第一、第二宇宙速度已經(jīng)不是什么新鮮事了,中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)都發(fā)射過(guò)許多火箭,讓太空探測(cè)器抵達(dá)了火星、月球,更有上千顆人造衛(wèi)星在地球高空環(huán)行。

        然而,航天器卻難以攜帶那么多的燃料來(lái)加速至第三宇宙速度,即便我們能沖出地球,也仍舊無(wú)法走出太陽(yáng)系的范圍。

        引力“順風(fēng)車”

        航天科學(xué)家們想到了讓航天器在宇宙中“借力”的方法,因?yàn)樘祗w都有引力,只要讓航天器適當(dāng)?shù)乜拷钪嬷械囊恍┐筇祗w,就能借助它們的引力改變航天器的速度和飛行方向,這被稱為“引力彈弓效應(yīng)”。為了利用引力彈弓,航天器既要分秒不差地趕上“順風(fēng)車”,又不能太靠近,以免完全被天體的引力捉住,因此,科學(xué)家們必須精確計(jì)算航天器、天體的運(yùn)動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)。

        引力決定恒星的命運(yùn)

        不光是人類在與引力較量,包括太陽(yáng)在內(nèi)的無(wú)數(shù)恒星都要與自己的引力抗衡。

        恒星的質(zhì)量很大,因此引力也很大,甚至有將恒星本身壓垮的趨勢(shì),只是在恒星內(nèi)部,每時(shí)每刻都有核聚變反應(yīng)發(fā)生,這為恒星提供了張力,使它不會(huì)被自己的引力壓垮。然而,當(dāng)核燃料被耗盡后,恒星就再也無(wú)法抵抗引力的擠壓,進(jìn)而轟然坍(tān)縮,所有的物質(zhì)都向中心聚攏。如果這顆恒星的質(zhì)量與太陽(yáng)相差不大,它就會(huì)被壓成白矮星、中子星;如果它的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于太陽(yáng),它就會(huì)坍縮成黑洞。

        電影《流浪地球》中,人們想利用木星為地球加速,卻差點(diǎn)被木星的引力捕獲、撕碎。

        1977年發(fā)射的旅行者1號(hào)探測(cè)器途徑木星和土星時(shí)利用引力彈弓,加速到了宇宙第三速度。目前,它已沖出太陽(yáng)系,與地球相距超過(guò)216億千米。

        致命漩渦:黑洞

        黑洞是宇宙中最可怕的天體,它的密度無(wú)限大,體積無(wú)限小,因而產(chǎn)生了極其強(qiáng)大的引力,像一個(gè)直通海底的猛烈漩渦,會(huì)吞噬、擠碎靠近的一切物質(zhì)。一座重達(dá)10億噸的大山落入黑洞,都會(huì)被壓成一個(gè)原子核的大小。

        只要速度足夠快,我們就能掙脫地球、太陽(yáng)系的引力,那如果一艘宇宙飛船不慎碰上了黑洞,它需要多快的速度才能逃離黑洞的引力呢?超過(guò)光速!要知道,光速是宇宙中最快的速度,不存在比光跑得更快的物質(zhì),但連光也會(huì)被黑洞吸入,因此,飛船是不可能逃離黑洞的。不過(guò),如果飛船中的宇航員在離得比較遠(yuǎn)時(shí)就發(fā)現(xiàn)了黑洞,只要趕緊改變航向,就能避免被黑洞吸走。

        太陽(yáng)也終有燃盡的一天,雖然它的質(zhì)量比較小,不會(huì)坍縮成黑洞,但當(dāng)太陽(yáng)停止核聚變時(shí),太陽(yáng)系就不再適合地球生命生存了。到了那時(shí),我們或許就要像《流浪地球》中演繹的那樣,建造行星發(fā)動(dòng)機(jī),努力突破太陽(yáng)系引力的束縛,為尋找新的家園而展開(kāi)一場(chǎng)漫長(zhǎng)的旅行。

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