太阳系是扁平的,向上或者向下飞,不就能很快飞出太阳系了么?

太阳系是扁平的,旅行者向上飞不是很快就能飞出太阳系么?说的好有道理,竟然无言以对。当然这对于脑筋急转弯的回答,肯定是令人满意的,但就科学角度来看,似乎有几个问题得搞搞清楚!

太阳系真的是扁平的吗?

美国有一个认为大地是扁平的小团体,其中并不缺乏名人,这个理论在古希腊时代就测出了地球直径的埃拉托色尼看来,实在是一群不可救药的无知群众,对于他们,我们只能抱以同情而又不失礼貌的微笑!

地球是一个球体,太阳也是一个球体,那么八大行星以及小行星带和柯伊伯带组成的太阳系是什么形状?还真是扁平的,因为无论是康德和拉普拉斯的星云说形成的太阳系,还是现实中这些天体的分布,无一不是扁平的。

从这一个角度来理解,太阳系是扁平的这个观点并没有任何问题!甚至整个归纳还应该是优秀的!

太阳系的引力分布也是扁平化的吗?

从1687年牛顿在1687年发表《自然哲学的数学原理》一文中阐述了三大定律和万有引力,解释引力这一现象,并且通过公式给了万有引力的计算方法。

两个天体之间的引力大小,与它们的质量积成正比,和它们之间距离的平方成反比,尽管牛顿对传递引力的介质错误的定义为以太,但他从来引力的方向却没有定义过,因为引力并不是朝向一个方向的,或者你可以理解为是指向质心的!

当然爱因斯坦的引力场方程描述了引力的本质:质量对时空的扭曲,在我们看来这就是引力,当然爱因斯坦也没有定义引力的方向,因为引力并不会朝一个方向传播,而是在质心周围都是均匀存在的,如果这个质量体分布的密度也是均匀的话。

既然太阳周围的引力都是均匀分布的,为什么我们要从黄道面逃逸?

这确实是一个尖锐的问题,既然往哪里飞不是飞,非得从黄道面飞,其实天文学家也这么想,但他们是有苦衷的,要解释这问题,我们必须来理解一张图:

这是旅行者的西天取经之路,和唐僧不一样的是旅行者没打算回来,因为它取得的数据已经发回来了,这就是现代通讯的优势!

从这个动图来看即使旅行者一号,也是经过火星、木星和土星,而二号则经过太阳系中所有的行星,甚至去冥王星瞥了一眼,当然这很容易解释:

顺便探测太阳系每一颗行星

这是最冠冕堂皇的理由,毕竟黄道面垂直方向并没有大的天体,甚至小行星都遇不到,往哪里走没有科学价值,所以旅行者计划探测每一颗行星不仅是科学家,也是NASA预算落到实处的一个表现,否则就单独发射一个探测器,而且这个探测器寿命期之内遇不到任何天体,那么它有意义吗?

更深层次的含义是,火箭提供的速度不够,无法从黄道面垂直方向逃逸

我们从太阳的逃逸速度计算可得,地球轨道附近约需要42.2千米/秒的速度才能从太阳系逃逸,那么人类1969年登陆月球的土星五号竭尽全力能提供的速度是多少呢?11.2千米/秒,脱离地球到达月球至少需要地球的逃逸速度,剩下大约有31千米的速度我们是不是该造一个更大的火箭来加速?这得分两种情况:

从黄道面垂直方向

从黄道面水平方向

前者就只能造个更大的火箭了,直接将飞船加速到42.2千米/秒,将直接从太阳系逃逸。

后者却不需要,只要从地球公转轨道的前进方向逃逸,那么自然可以加上地球公转轨道的速度大约29.8千米/秒,是不是和太阳逃逸速度一步之遥了?

当然这个理解一点错都没有,但这次逃逸需要同时逃离地球和太阳,因此整体所需的速度为:

V=√11.2^2+(42.2-29.8)^2=16.7093千米/秒

也就是说朝着地球轨道上再加速16.7093千米/秒,即可从太阳系逃逸!比起要加速31千米/秒容易太多了!

但事实上是速度仍然不太够,因此天才的科学家想出了利用行星的引力来给探测器加速的方法,这个原理也很简单,从天体侧后方切入,让高速公转天体的引力带着探测器跑一会,从理论上来看这个加速加成大约有公转速度的2倍。

旅行者2号通过天体引力弹弓加速的国恒,其特性是每次经过天体附近时速度都一个很大的提升,当然除了加速还可以减速,也可以改变轨道,因此在开头旅行者前往太阳系外轨道时,旅行者1号在土星附近拐了个大弯,从太阳系黄道面的偏北方向离开了,这就是利用了土星的引力免费拐了一次弯。

无论从黄道面上走,还是从垂直方向走,其实距离都差不多

现代太阳系范围区分已经很少以柯伊伯带为界限了,因为太近;以奥尔特云为界限比较科学,但又太远,大都时候都已日球层为标准,而日球层在太阳系前进方向上距离是最短的,因此朝着太阳系环绕银河系方向走,最快能脱离太阳系。

因此从哪个方向走都不是关键,唯一的要求是速度,这才是人类跨出太阳系最好的依托。