火箭飞出地球速度能逃离太阳系的速度被称为第几速度 _知识分享

文章插图
本文参加 #科学了不起# 系列征文赛。
如果我们希望将火箭送到太空但发射速度太慢，那么火箭将没有足够的动能来挣脱地球的引力场。反之，如果火箭的速度恰好足以逃离地球引力的拉扯，我们就说它已达到了逃逸速度。火箭从诸如行星之类的大质量物体上逃离时，行星质量越大，火箭距行星的质心越近，逃逸速度也就越大。逃逸速度Vesc可以写成，其中M是行星的质量， R是火箭与行星质心的距离，而G是被称为牛顿引力常数的自然常数。重力作用总是将火箭拉向行星或恒星的中心，朝向被称为质心的点。
不过，逃逸速度的取值与火箭的质量完全无关。因此，不论其内部载荷是几根羽毛还是几台三角钢琴，从距离地球质心约6400千米的卡纳维拉尔角发射的火箭都具有相同的逃逸速度，也就是11千米/秒多一点或约为声速的34倍(可以写为34马赫) 。现在假设我们可以压缩地球的全部质量，使它占据更小的体积，假定它的半径变为其当前的四分之一。如果火箭发射处距离质心6400千米，其逃逸速度将保持不变。然而，如果它重新放到距质心1600千米的压缩后的地球的新表面，那么逃逸速度将会是原始值的两倍。现在假设某些灾难的发生导致地球的全部质量都收缩到了一个点，我们把这样的物体称为奇点。

文章插图
它现在已经成了一个“质点” ，一个占据空间体积为零的有质量物体。在距这个奇点只有1米左右的地方，逃逸速度将远大于在1600千米处的取值(实际上将约为光速的10％) 。离奇点更近，略小于1厘米的地方，逃逸速度将等于光速。在这个距离上，光本身没有足够的速度来逃离引力的拉扯。这是理解黑洞性质的关键思想。对“奇点”一词的用法值得明确。我们不相信在持续的引力坍缩的终点，物质会变成某个几何点；正相反，我们会发现经典引力理论失效并进入量子体系。从这里开始，我们将使用术语奇点来指代这种极其致密的状态。
现在想象你是一名驾驶宇宙飞船的宇航员，并且正在接近这个奇点。当距离它还有一段距离时，你可以随时将发动机反转并逃之夭夭。但是距离越近，就越难体面地撤离。最终你会到达一个无论装载的发动机有多强大都无法逃脱的距离。这是因为你已经到达了事件视界，这是一个用数学方式来定义的球面，它也被定义为内部逃逸速度超过光速的边界。对于我们关于地球坍缩到一个点的思想实验而言，这个表面将是一个以奇点为中心，半径只有1厘米的球面，这对我们的太空船来说可能很容易避开。然而当黑洞由恒星而不是行星坍缩形成时，事件视界会变得更大。
事件视界有一个重要的物理效应：如果你在那个表面之上或者里面的话，物理定律根本不允许你逃离，因为这样做你需要打破普适的速度限制。事件视界是一个强制性的标界：在它之外你有决定你命运的自由，而在它之内你的未来将被锁在里面，不可改变。这个球面半径被称为史瓦西半径，是为了纪念前面提到的卡尔·史瓦西。作为第一次世界大战中的一名士兵，史瓦西得到了广义相对论中著名的爱因斯坦场方程的第一个精确解。史瓦西半径写为Rs=2GM/c2 ，其中M是黑洞的质量， G是牛顿引力常数， c是光速。根据这个公式，地球的史瓦西半径还不到1厘米。
【火箭飞出地球速度能逃离太阳系的速度被称为第几速度】

文章插图
以此类推，太阳的史瓦西半径为3公里，这意味着如果我们的太阳被压缩成奇点，那么距这一点仅3公里之处的逃逸速度就将等于光速。一个质量是太阳质量10亿倍的黑洞(具有109太阳质量)将使史瓦西半径扩大10亿倍(一个无旋转的点质量的史瓦西半径与其质量成正比) 。正如前文所述，这些巨大的黑洞被认为存在于很多星系的中心。在牛顿物理学中，这种对事件视界的描述是合理的。事实上，在爱因斯坦和其他我们提到的人之前几个世纪，类似黑洞的物理实体是被想象出来的，而它们深刻地改变了我们对空间和时间的理解。最早想象出类似黑洞的“暗星”的人是18世纪的约翰·米歇尔(John Michell)和皮埃尔·西蒙·拉普拉斯(Pierre Simon Laplace) ，而现在我将解释他们做了什么。

火箭飞出地球速度 能逃离太阳系的速度被称为第几速度

火箭飞出地球速度能逃离太阳系的速度被称为第几速度