為什么靠近太陽(yáng)比逃離太陽(yáng)更難？

太陽(yáng)的引力無(wú)比強(qiáng)大，它將八大行星牢牢束縛在身邊幾十億年。按理說(shuō)，要把一個(gè)物體“扔進(jìn)”太陽(yáng)應(yīng)該輕而易舉——畢竟它有那么大的引力嘛！

圖1. 太陽(yáng)與它的行星

然而，現(xiàn)實(shí)卻恰恰相反——從地球出發(fā)，靠近太陽(yáng)比逃離太陽(yáng)系還要困難得多！ 這是為什么呢？

這個(gè)反直覺的結(jié)果，源自我們腳下這顆行星的高速運(yùn)動(dòng)。

地球正以大約每秒約30公里的速度繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。這賦予了我們地球上一切物體一個(gè)巨大的“橫向速度”——之所以說(shuō)橫向，是相對(duì)日地連線來(lái)說(shuō)的，該速度與日地連線近似垂直。

想象（溫馨提醒：僅YY一下而已，物理學(xué)中叫思想實(shí)驗(yàn)）你在一列飛馳的高鐵上，想把手里的籃球扔向站臺(tái)上的一個(gè)垃圾桶。你會(huì)怎么扔？

如果你直直地朝垃圾桶的方向扔出去，在列車上的你看來(lái)是“直線”。但在站臺(tái)上的人看來(lái)，籃球其實(shí)在向前飛的同時(shí)，還帶著列車賦予的巨大“向前速度”。結(jié)果就是，籃球會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地飛過(guò)垃圾桶。

因此，與拋籃球到站臺(tái)垃圾桶一樣，當(dāng)我們從地球上瞄準(zhǔn)太陽(yáng)發(fā)射一枚火箭時(shí)，由于慣性，火箭在飛行過(guò)程中，它會(huì)一直保持這個(gè)地球公轉(zhuǎn)賦予給它的橫向速度，這會(huì)導(dǎo)致它最終偏離太陽(yáng)的位置。

當(dāng)然，你可能會(huì)想到，如果朝向太陽(yáng)的發(fā)射速度很大很大的話，既然太陽(yáng)的半徑也挺大，它還是可以撞上太陽(yáng)的。

這聽起來(lái)似乎也不是不可能，但這樣做需要多大的代價(jià)呢？

我們來(lái)計(jì)算一下。

設(shè)地球公轉(zhuǎn)速度為 ，日地距離為 。萬(wàn)有引力常數(shù)為 ，太陽(yáng)的質(zhì)量為 ，太陽(yáng)的半徑 ，它們的數(shù)值列出如下：

以太陽(yáng)為原點(diǎn)，日地連線為x軸，地球公轉(zhuǎn)速度方向?yàn)閥軸。設(shè)火箭對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)發(fā)射，速度為 發(fā) 射 ，這樣一來(lái)，在日心系中，火箭的速度為

發(fā) 射

地球初始位置為

根據(jù)角動(dòng)量守恒，有常量 為

又根據(jù)機(jī)械能守恒，有常量 為

發(fā) 射

將地球軌道近似為圓軌道，則（修訂：下式右邊應(yīng)為乘式，即分母應(yīng)移到分子上去）

故得

發(fā) 射

根據(jù)有心力運(yùn)動(dòng)規(guī)律，當(dāng) 發(fā) 射 小于、等于和大于 時(shí)，火箭的軌跡分別為橢圓、拋物線和雙曲線。而無(wú)論什么類型的軌跡，其在近日點(diǎn)的距離通用公式為

代入前面的關(guān)系式得

發(fā) 射

據(jù)此可得如下三種情況：

1. 當(dāng) 發(fā) 射 時(shí)，

2. 當(dāng) 發(fā) 射 時(shí)，

3. 當(dāng) 發(fā) 射 時(shí)，

太陽(yáng)的半徑僅為 ，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于日地距離的一半，后者的值為 。所以，第1和第2種情況都無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，只有第3種情況是有可能的。

來(lái)看看第3種情況需要多大的發(fā)射速度才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。設(shè)剛好能讓發(fā)射物抵達(dá)太陽(yáng)的邊緣，也就是近日點(diǎn)距離 剛好是太陽(yáng)的半徑，則

發(fā) 射

得最小發(fā)射速度竟然高達(dá)6393公里每秒！這大約是光速的 2%！要知道人類目前的火箭技術(shù)最多能達(dá)到每秒幾十公里，離這個(gè)速度差了三個(gè)數(shù)量級(jí)。

所以，用直接“瞄準(zhǔn)”的方式把物體射入太陽(yáng)，在技術(shù)上是完全不可能的！

與掉進(jìn)太陽(yáng)相比，逃離太陽(yáng)系反而簡(jiǎn)單得多。

要飛離太陽(yáng)系，需要讓探測(cè)器在日心參考系中的速度達(dá)到太陽(yáng)的逃逸速度。在地球軌道處，太陽(yáng)的逃逸速度為

逃 逸

約為每秒42.1公里，考慮到地球本身公轉(zhuǎn)的速度就達(dá)到近30公里每秒，所以我們只需再給探測(cè)器加速，使其相對(duì)于地球的速度達(dá)到約每秒12.1公里，并沿著地球公轉(zhuǎn)方向發(fā)射，就可以利用地球的速度“搭便車”飛向星際空間。該速度換算（過(guò)程略）為從地球表面發(fā)射的速度，大約為每秒16.7公里，這就是第三宇宙速度。

圖2. 飛離太陽(yáng)的旅行者1號(hào)

對(duì)比起來(lái)，掉進(jìn)太陽(yáng)需要的發(fā)射速度（徑向）達(dá)到將近6400公里/秒，而逃離太陽(yáng)系只需要16.7公里/秒。靠近比逃離難多了！

即便采用“抵消地球速度”的方法（即反向發(fā)射，使橫向速度降為零），即將地球公轉(zhuǎn)速度換算成地面發(fā)射速度，也需要每秒32公里（過(guò)程略），仍然遠(yuǎn)大于逃離所需的速度。所以，從能量角度看，把物體扔進(jìn)太陽(yáng)比把它扔出太陽(yáng)系困難得多。

由此可見，若如有些人所想的那樣，將地球上的垃圾（可鞥還包括壞蛋）丟到太陽(yáng)這個(gè)完美熔爐中燒掉的“Good Idea”看來(lái)是很難實(shí)現(xiàn)了！

圖3. 熾熱的太陽(yáng)表面

那么，還有別的辦法嗎？

既然直接沖向太陽(yáng)行不通，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一條迂回曲折的路線。2018年發(fā)射的帕克太陽(yáng)探測(cè)器（parker solar probe），正是通過(guò)巧妙的軌道設(shè)計(jì)，一步步逼近太陽(yáng)。

視頻：帕克太陽(yáng)探測(cè)器

它的策略是：先進(jìn)入一條環(huán)繞太陽(yáng)的大橢圓軌道，然后利用金星的引力彈弓效應(yīng)，逐步降低自己的軌道能量。每當(dāng)探測(cè)器從金星后方飛過(guò)時(shí)，它就會(huì)把一小部分軌道動(dòng)量“交給”金星，從而降低自己相對(duì)于太陽(yáng)的速度，減小角動(dòng)量。每一次飛掠，探測(cè)器的軌道都會(huì)被“壓扁”一些，近日點(diǎn)越來(lái)越靠近太陽(yáng)。

圖4. 金星引力彈弓示意圖

這個(gè)過(guò)程需要極其精準(zhǔn)的導(dǎo)航和多次飛掠。帕克探測(cè)器計(jì)劃七次飛掠金星，最終在2025年到達(dá)距離太陽(yáng)表面僅600萬(wàn)公里的地方——這將是人類航天器離恒星最近的一次。

即便解決了軌道問題，靠近太陽(yáng)本身也帶來(lái)了一系列近乎瘋狂的工程技術(shù)的極限挑戰(zhàn)。

在最近距離處，帕克探測(cè)器面臨的太陽(yáng)光照強(qiáng)度是地球軌道的475倍。正對(duì)太陽(yáng)的表面溫度高達(dá)1400°C，足以熔化鋼鐵。工程師們?yōu)樗O(shè)計(jì)了一面僅11.5厘米厚的碳復(fù)合材料隔熱盾，表面涂有特制白色陶瓷，能反射絕大部分陽(yáng)光。盾牌內(nèi)部是97%體積為空氣的碳泡沫，幾乎隔絕了所有熱量，使得背后的科學(xué)儀器能保持在舒適的30°C左右。

圖5. 帕克太陽(yáng)探測(cè)器

為了測(cè)量太陽(yáng)風(fēng)，探測(cè)器的部分傳感器不得不暴露在陽(yáng)光下。它們用耐高溫的鈮、鎢、鉬等金屬制成，連絕緣體都選用了藍(lán)寶石。在高速飛越太陽(yáng)時(shí)，探測(cè)器速度可達(dá)每秒200公里（每小時(shí)72萬(wàn)公里），一粒微塵的撞擊就可能造成嚴(yán)重?fù)p壞，因此關(guān)鍵部件都包裹了致密防護(hù)層。

圖6. 飛行中的帕克探測(cè)器

更棘手的是，當(dāng)探測(cè)器離太陽(yáng)太近時(shí)，強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射會(huì)淹沒它與地球的通訊信號(hào)，導(dǎo)致長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的失聯(lián)。為此，探測(cè)器被設(shè)計(jì)成高度自主，能自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)，確保隔熱盾始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。一旦姿態(tài)失準(zhǔn)，30秒內(nèi)整個(gè)任務(wù)就會(huì)終結(jié)。

最后總結(jié)，為什么靠近太陽(yáng)比逃離更難？

答案在于地球賦予的巨大角動(dòng)量。我們生活在一顆以每秒30公里高速飛行的行星上，這個(gè)速度讓我們的軌道穩(wěn)定，讓生命得以安然演化。但也正是這個(gè)速度，筑起了一道看似不可逾越的屏障——要想“掉進(jìn)”太陽(yáng)，必須先克服這個(gè)巨大的慣性。

而帕克太陽(yáng)探測(cè)器的成功，證明了人類智慧可以找到繞過(guò)這道屏障的方法。它不是硬碰硬地對(duì)抗自然力，而是利用行星的引力，一步步“退讓”，最終抵達(dá)那個(gè)光明的源頭。

參考文獻(xiàn)

https://parkersolarprobe.jhuapl.edu/

文章轉(zhuǎn)載自“物含妙理”微信公眾號(hào)