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火箭飛出地球速度 能逃離太陽系的速度被稱為第幾速度

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火箭飛出地球速度 能逃離太陽系的速度被稱為第幾速度

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本文參加 #科學了不起# 系列征文賽 。
如果我們希望將火箭送到太空但發射速度太慢，那么火箭將沒有足夠的動能來掙脫地球的引力場 。反之，如果火箭的速度恰好足以逃離地球引力的拉扯，我們就說它已達到了逃逸速度 。火箭從諸如行星之類的大質量物體上逃離時，行星質量越大，火箭距行星的質心越近，逃逸速度也就越大 。逃逸速度Vesc可以寫成，其中M是行星的質量，R是火箭與行星質心的距離，而G是被稱為牛頓引力常數的自然常數 。重力作用總是將火箭拉向行星或恒星的中心，朝向被稱為質心的點 。
不過，逃逸速度的取值與火箭的質量完全無關 。因此，不論其內部載荷是幾根羽毛還是幾臺三角鋼琴，從距離地球質心約6400千米的卡納維拉爾角發射的火箭都具有相同的逃逸速度，也就是11千米/秒多一點或約為聲速的34倍(可以寫為34馬赫) 。現在假設我們可以壓縮地球的全部質量，使它占據更小的體積，假定它的半徑變為其當前的四分之一 。如果火箭發射處距離質心6400千米，其逃逸速度將保持不變 。然而，如果它重新放到距質心1600千米的壓縮后的地球的新表面，那么逃逸速度將會是原始值的兩倍 ?，F在假設某些災難的發生導致地球的全部質量都收縮到了一個點，我們把這樣的物體稱為奇點 。
【火箭飛出地球速度 能逃離太陽系的速度被稱為第幾速度】
火箭飛出地球速度 能逃離太陽系的速度被稱為第幾速度

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它現在已經成了一個“質點”，一個占據空間體積為零的有質量物體 。在距這個奇點只有1米左右的地方，逃逸速度將遠大于在1600千米處的取值(實際上將約為光速的10％) 。離奇點更近，略小于1厘米的地方，逃逸速度將等于光速 。在這個距離上，光本身沒有足夠的速度來逃離引力的拉扯 。這是理解黑洞性質的關鍵思想 。對“奇點”一詞的用法值得明確 。我們不相信在持續的引力坍縮的終點，物質會變成某個幾何點；正相反，我們會發現經典引力理論失效并進入量子體系 。從這里開始，我們將使用術語奇點來指代這種極其致密的狀態 。
現在想象你是一名駕駛宇宙飛船的宇航員，并且正在接近這個奇點 。當距離它還有一段距離時，你可以隨時將發動機反轉并逃之夭夭 。但是距離越近，就越難體面地撤離 。最終你會到達一個無論裝載的發動機有多強大都無法逃脫的距離 。這是因為你已經到達了事件視界，這是一個用數學方式來定義的球面，它也被定義為內部逃逸速度超過光速的邊界 。對于我們關于地球坍縮到一個點的思想實驗而言，這個表面將是一個以奇點為中心，半徑只有1厘米的球面，這對我們的太空船來說可能很容易避開 。然而當黑洞由恒星而不是行星坍縮形成時，事件視界會變得更大 。
事件視界有一個重要的物理效應：如果你在那個表面之上或者里面的話，物理定律根本不允許你逃離，因為這樣做你需要打破普適的速度限制 。事件視界是一個強制性的標界：在它之外你有決定你命運的自由，而在它之內你的未來將被鎖在里面，不可改變 。這個球面半徑被稱為史瓦西半徑，是為了紀念前面提到的卡爾·史瓦西 。作為第一次世界大戰中的一名士兵，史瓦西得到了廣義相對論中著名的愛因斯坦場方程的第一個精確解 。史瓦西半徑寫為Rs=2GM/c2，其中M是黑洞的質量，G是牛頓引力常數，c是光速 。根據這個公式，地球的史瓦西半徑還不到1厘米 。
火箭飛出地球速度 能逃離太陽系的速度被稱為第幾速度

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以此類推，太陽的史瓦西半徑為3公里，這意味著如果我們的太陽被壓縮成奇點，那么距這一點僅3公里之處的逃逸速度就將等于光速 。一個質量是太陽質量10億倍的黑洞(具有109太陽質量)將使史瓦西半徑擴大10億倍(一個無旋轉的點質量的史瓦西半徑與其質量成正比) 。正如前文所述，這些巨大的黑洞被認為存在于很多星系的中心 。在牛頓物理學中，這種對事件視界的描述是合理的 。事實上，在愛因斯坦和其他我們提到的人之前幾個世紀，類似黑洞的物理實體是被想象出來的，而它們深刻地改變了我們對空間和時間的理解 。最早想象出類似黑洞的“暗星”的人是18世紀的約翰·米歇爾(John Michell)和皮埃爾·西蒙·拉普拉斯(Pierre Simon Laplace)，而現在我將解釋他們做了什么 。
天文學的一個非凡之處在于，即使你被困在地球上也能發現關于宇宙的很多事情 。例如，沒有人曾經游覽過太陽，然而在19世紀后期通過分析太陽光譜探測到了太陽中存在的氦 。需要特別注意的是，這也是氦元素本身被第一次發現；它在太陽上被發現的時間要比在地球上被探測到早得多 。在更早的18世紀，關于黑洞背后的一些想法就開始形成了，特別是關于所謂的暗星的概念 。人在很大程度上是他那個時代的產物，那些飽含奇思妙想、邁出第一步的人都是這樣 。

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