如何突破引力的束缚
2019-03-04牧来
牧来
无处不在的引力
引力是一种自然界普遍存在的力,它让所有的物体都相互吸引,如同一个个漩涡,物体质量越大,这个漩涡越深,越容易把周围的物质卷入;物体间距越远,引力越小,反之越大。正是由于引力的作用,氧气、氮气、二氧化碳等气体才能在地球周围聚集成厚厚的大气层,为地球生命供氧、保暖,我们也能牢牢地站在地表上,不会飘到充满危险的宇宙中。
不光是在地球,引力在宇宙的每个角落都发挥着作用:月球受到地球的引力,终日围绕地球旋转;地球和其他太阳系行星、小行星受到太阳吸引,绕着太阳公转,享用着太阳释放的能量。
即使是一颗小小的苹果,对地球也有引力,只是相对于庞大的地球而言,这个引力微乎其微。
月球是地球的卫星,它的质量可不像苹果那样能够被忽略,它对地球有着不小的引力。海浪具有涨潮、退潮的“潮汐现象”,原因之一就是月球的引力。
看来,引力既能为生灵提供庇护,又使宇宙变得井然有序,对人们的生存十分有利。但另一方面,引力也使我们无法离开地球、探索宇宙。随着科技的进步,人类发明了火箭和宇宙飞船,飞向了外太空。它们是如何挣脱地球引力束缚的?
地球受到的月球、太阳引力较强时,海水表现为涨潮(上图);受到的引力较弱时,表现为退潮(下图)。
突破引力
假設你在扔一颗球,扔球的力量越大,球的速度越快,飞得也就越远。想象一下,如果你获得了超人般强大的力量,这时你铆(mǎo)足了劲,把球丢出去,会发生什么呢?如果力量足够大,球会飞得很远,甚至不再回到地球上。
虽然现实中,人类不可能拥有这么强大的臂力,但人们可以让火箭不断加速,对抗地心引力。经过计算,科学家们发现,当航天器的发射速度为7.9千米/秒时,就可环绕地球飞行;超过11.2千米/秒时,就能突破地球引力的束缚,开始绕太阳飞行;超过16.7千米/秒时,就可以告别太阳系,飞入广袤的宇宙空间。这些速度也分别被称为第一、第二、第三宇宙速度。
如今,达到第一、第二宇宙速度已经不是什么新鲜事了,中国、美国、俄罗斯等国都发射过许多火箭,让太空探测器抵达了火星、月球,更有上千颗人造卫星在地球高空环行。
然而,航天器却难以携带那么多的燃料来加速至第三宇宙速度,即便我们能冲出地球,也仍旧无法走出太阳系的范围。
引力“顺风车”
航天科学家们想到了让航天器在宇宙中“借力”的方法,因为天体都有引力,只要让航天器适当地靠近宇宙中的一些大天体,就能借助它们的引力改变航天器的速度和飞行方向,这被称为“引力弹弓效应”。为了利用引力弹弓,航天器既要分秒不差地赶上“顺风车”,又不能太靠近,以免完全被天体的引力捉住,因此,科学家们必须精确计算航天器、天体的运动轨迹等数据。
引力决定恒星的命运
不光是人类在与引力较量,包括太阳在内的无数恒星都要与自己的引力抗衡。
恒星的质量很大,因此引力也很大,甚至有将恒星本身压垮的趋势,只是在恒星内部,每时每刻都有核聚变反应发生,这为恒星提供了张力,使它不会被自己的引力压垮。然而,当核燃料被耗尽后,恒星就再也无法抵抗引力的挤压,进而轰然坍(tān)缩,所有的物质都向中心聚拢。如果这颗恒星的质量与太阳相差不大,它就会被压成白矮星、中子星;如果它的质量远远大于太阳,它就会坍缩成黑洞。
电影《流浪地球》中,人们想利用木星为地球加速,却差点被木星的引力捕获、撕碎。
1977年发射的旅行者1号探测器途径木星和土星时利用引力弹弓,加速到了宇宙第三速度。目前,它已冲出太阳系,与地球相距超过216亿千米。
致命漩涡:黑洞
黑洞是宇宙中最可怕的天体,它的密度无限大,体积无限小,因而产生了极其强大的引力,像一个直通海底的猛烈漩涡,会吞噬、挤碎靠近的一切物质。一座重达10亿吨的大山落入黑洞,都会被压成一个原子核的大小。
只要速度足够快,我们就能挣脱地球、太阳系的引力,那如果一艘宇宙飞船不慎碰上了黑洞,它需要多快的速度才能逃离黑洞的引力呢?超过光速!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质,但连光也会被黑洞吸入,因此,飞船是不可能逃离黑洞的。不过,如果飞船中的宇航员在离得比较远时就发现了黑洞,只要赶紧改变航向,就能避免被黑洞吸走。
太阳也终有燃尽的一天,虽然它的质量比较小,不会坍缩成黑洞,但当太阳停止核聚变时,太阳系就不再适合地球生命生存了。到了那时,我们或许就要像《流浪地球》中演绎的那样,建造行星发动机,努力突破太阳系引力的束缚,为寻找新的家园而展开一场漫长的旅行。