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如果地球是一座監獄,那人類應該如何逃脫它的束縛?

如果地球是一座監獄,那人類應該如何逃脫它的束縛?

我們是地球的囚徒,宇宙與我們的交流僅限於給我們展示,我們永遠無法真正到達的地方。然而如果人類這一物種想要謀求一個長遠的未來,我們就必須逃脫這座監獄,但是把我們困在,我們最初的居所的,竟然是我們欠宇宙一筆債,在宇宙誕生45億年後,宇宙中一切有質量的物體,都吸引這其他有質量的物體,我們把這種現象叫做引力,你離一大團質量越近,吸引就越強,或者被推近它,這種效應把我們困在了地球上,我們可以想象到這裡,引力監獄,或是引力 里的囚徒。這不是文學修飾而是一個通俗易懂的概念讓我們理解這些是如何運行的,處在引力的監獄之中,意味著你欠著引力一些能量,但你是怎麼欠下能量的?

圖一

因為在我們的宇宙中,物體都不願意改變運動速度和方向,要想勸它們改變這些,你就需要花費能量,幾十億年前,引力吧。無數粒環繞太陽的塵埃,推在一起使它們形成一顆行星。這個過程用去了能量並創造了我們處在其中的引力阱,在引力阱中越深處,你就欠引力越多的能量,如果你不找到一種方法得到足夠的能量,你就不能夠離開,無論你做其他什麼事,因為構成你的原子都曾是那些塵埃,宇宙對它們用去能量使它們來到這裡。

宇宙中的物體都不願意改變運動狀態,你要用能量才能讓它們動起來,引力使用了能量讓那些構成你的部分聚集到了一起,這也是一個形成引力監獄的過程,這監獄困住了我們要想逃離,我們需要付出能量補充其中,我們要進入宇宙該怎麼補充這些能量呢?我們必須經過一個複雜的過程,來交換能量,未達到這個目的我們建造了一些「負勢能償還器」。

它有一個眾所周知同時也相當無聊的名字叫火箭,火箭工作使用,一些人們所知釋放最多能量的化學反應,基本上最爆炸性的燃料的可控使用,這些將化學能轉化為動能,反應放出的尾氣被導出。推動火箭離開地球,使用大量的能量,我們增加了我們的引力勢能,簡單來說就是,我們在償還對引力欠下的能量債,但是這遠比我們想象的更微妙,當你消耗燃料以到達軌道,你損失了很多能量,來加熱尾氣和對抗大氣摩擦。

圖二

所以你實際上需要遠多於此的燃料並且你不能直接把一大堆,非常易爆危險的燃料,放在你要送上天的東西邊上然後把它們引爆,你需要一種受控的燃燒,這會很複雜。而把你的火箭變得非常重,也就是擁有更大的質量,物體的質量越大,就需要越多能量,使它運動,所以你就需要更多的燃料,才能帶起你的火箭,但是如果你需要更多燃料,但是這讓你的火箭變得更重,進而需要更多燃料,這又需要更大的火箭。承載這多出來的燃料,等等等等。在這可怕的循環結束時,你需要將近一百倍。

於你的有效載荷的質量才能發射,比如說歐空局的阿里安六號火箭,它有800噸重並且能將十噸的物體送上一個地球同步軌道或者將二十噸重的物體送上一個中軌道,但是一個火箭只能產生那麼多推力,所以有一個總重上限,超過了這個上限就根本不能起飛,加上過多的重量它就會失效。

所以你不能僅僅把燃料箱做得越來越大,這就是火箭方程的惱人之處並且這意味著航天永遠不會簡單等等,它還有更難的地方,進入太空還並不夠,你其實還在引力監獄之中,在到達你能到達的最遠處后,你還會撞回地球,停留在太空中比到達那裡還難得多,找到一個穩定的位置,讓它可以停留一段時間,火箭必須到達低地球軌道,要做到這一點你需要很多很多的動能,這意味著要運行非常快,在海拔100公里之處,這個速度要達到8千米每秒,28000千米每小時,速度之快,九十分鐘就可繞地球一圈,這裡我們可以耍一點花招,我們可以不直向上飛,而是向旁邊飛,地球是一個球體,所以如果你向旁邊飛得足夠快,即使你在往地球上掉,地面會向下彎曲,保持在你的下方一定距離。

圖三

所以只要你在大氣層外,大約100公里高處,你就能停留在那裡的軌道上,這就是ISS所做的,它在大氣摩擦下下落。不斷消耗能量以維持足夠快的速度,如果我們按一定的比例俯視這些軌道,我們會看到近地軌道,最靠近地球,要搞一個,比如說衛星,前往其它行星,需要另一番能量債的償還。進入軌道是航天中最難的部分,當前來說,例如如果你想把一枚火箭送去火星必須用一半的能量,單單是用來把它送進軌道,另一半才用於五千五百萬公里前往火星的旅程。因而,要做到儘可能高效。火箭不能做成整個兒的一大塊,我們會使用多級火箭,你不需要帶著一個空的燃料箱旅行,所以火箭把它們都扔下了,今天的火箭會蛻下他們的助推器和大部分的級並棄之如土。讓每一級成為單獨的火箭,具有自己完備的發動機和燃料,所以這就是為什麼進入太空如此艱難。如果你認為這些看起來實在複雜,別擔心,這是完全的屬於火箭的時代。

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