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我們或許永遠離不開太陽系,225億公里外,旅行者減速意味著什麼
2023/10/01

人類探索宇宙的歷史可以追溯到古代文明。 早在古埃及、古希臘和古印度時期,人們就通過天文觀測和數學計算,開始了對星體運動和宇宙構造的研究。然而,那時的科學技術還十分有限,人類對于宇宙的認知僅停留在紙上談兵的層面。

直到20世紀,科學技術的突飛猛進為人類探索宇宙提供了前所未有的機遇。1903年,萊特兄弟的飛行實驗開啟了現代航空的時代,人們開始能夠自由地征服地球上的高空。幾十年后,人類向更高的天際進發,邁出了登上月球的壯舉。 1969年,阿波羅11號宇宙飛船成功將尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林送上月球表面,這一歷史性時刻讓人類的探索之旅踏上了一個新的里程碑。

然而,太陽系僅僅只是宇宙的一小部分,宇宙的廣闊無垠,超出了我們的想象。

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人類已經認識到,只有進一步飛出太陽系,才能真正領略宇宙的浩瀚和復雜。

為了實現這一目標,人類的科學家們和工程師們開始了艱巨而激動人心的任務。 他們發展了先進的太空探測器和航天器技術,設計了高性能的發動機和推進系統,同時也解決了長時間航行和通信等一系列技術難題。這些努力使得我們能夠向著更遠的星系出發,追尋著宇宙的奧秘。

向著深空前進

上世紀70年代正值太空探索熱潮。美國國家航空航天局(NASA)發現在1977年,木星、土星和天王星將會處在一個特殊的位置,使得在這一時期發射的探測器能夠利用這些行星的引力助推獲得足夠的速度,以便離開太陽系進入更遠的星際空間,于是NASA發射了旅行者一號和二號探測器。

旅行者一號的設計充分利用了當時最先進的技術。它搭載了多種科學儀器,包括能夠測量磁場、粒子和輻射的探測器,以及能夠觀測和拍攝行星、衛星和環系的攝像機。此外,它還攜帶了一塊金制的唱片,上面記錄了地球上的聲音、圖像和信息,以便向潛在的外星文明展示人類文化和科技的成就。

在旅行者一號的任務中,借力是一個重要的策略。通過巧妙地利用行星的引力場,它能夠獲得額外的速度,而無需使用過多的燃料。 這一技術被稱為「引力彈弓效應」,它使得探測器能夠以更高的速度飛離太陽系,進入星際空間。旅行者一號成功地利用了木星和土星的引力場,實現了精確的軌道調整和速度增加。

多年來,旅行者一號不斷向外層空間發送回地球有關太陽系的寶貴信息。

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它在1979年經過了木星,并帶回了詳細的木星系統圖像和科學數據。之后,在1980年代初,它又經過了土星,并提供了土星環系的獨特視角。隨著時間的推移,旅行者一號繼續向外飛行,穿越太陽系的邊界,進入了星際空間。 到現在,旅行者一號距離地球已經超過了237億公里,然而此前它距離地球225億公里時卻曾突然減速,發回的信息還傳出一種神秘的「嗡嗡聲」。

旅行者一號的突然減速

旅行者一號為什麼會突然減速?此前有報道稱旅行者一號已經飛出了太陽系,然而NASA隨后否定了這一種說法,表示這是明顯的翻譯錯誤。 旅行者一號離開的實際上是太陽系的日球層,進入的是理論上的星際空間。

日球層是由太陽風與星際介質相互作用形成的一個巨大等離子體環境,保護著太陽系免受來自星際空間的高能粒子和輻射的影響。

在日球層的頂部,太陽風與星際介質相互作用形成了一個類似于磁層的結構,稱為日球層頂。日球層頂將太陽風等離子體與星際起源的等離子體分開,形成了一個邊界層。這個邊界層的位置大約位于50至150天文單位(AU)之間,視具體條件而定。

旅行者一號離開日球層后,所遭受到的宇宙射線和輻射強度都會大量提升,導致旅行者一號出現了減速的現象。所謂的「嗡嗡聲」實際上是等離子湍流產生的聲波波動。雖然在真空中聲波無法傳播,但在等離子體中可以形成密度變化或壓力波動。旅行者一號探測器可以通過儀器記錄到了這些波動。

我們能離開太陽系嗎?

一個物體要想離開太陽系,它必須達到一定的速度,以克服太陽(或其他天體)的引力,從而能夠離開太陽系或其他天體系統,這就是第三宇宙速度。

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在太陽系中,第三宇宙速度是指克服太陽引力,使物體能夠完全逃離太陽系的最低速度。這個速度取決于太陽的質量和物體所處的位置。對于地球,第三宇宙速度約為每秒16.7公里。旅行者一號的速度約為每秒17公里,已經具備離開太陽系的理論可能。

根據現在的研究,天文學家們認為若以奧爾特云為界,則太陽系的直徑約為3.16光年,以旅行則一號的速度,至少還需要3萬年的時間才可能真飛出這個范圍。從這個角度來看,

1.6光年的距離對我們來說還是太遠了,以傳統的推進動力,我們根本無法實現星際旅行,為此我們就必須尋找一些不尋常的方式,比如說蟲洞。

相對論與蟲洞

根據愛因斯坦的廣義相對論,質量和能量會彎曲周圍的時空。

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這種彎曲效應被稱為引力,它使得物體在引力場中遵循曲線運動。因為時空是連續而彎曲的,而不是固定的歐幾里得空間。時空的彎曲程度取決于其中的質量和能量分布。如果引力場足夠強大,時空可能會被彎曲到一定程度,甚至可能形成蟲洞。 愛因斯坦場方程,它描述了時空的彎曲和質量能量的分布之間的關系。這個方程系統的解可以包括蟲洞這樣的時空結構。

基于這些概念,理論物理學家研究了蟲洞的可能性,認為蟲洞是時空連續性的一種結果,其中時空在一個地方彎曲到極端程度,使得可以連接到另一個地方。如果蟲洞能夠穩定存在,那麼它就能為星際旅行提供了一種可能性。 通過進入蟲洞的一端,穿越其中的航天器會在另一端的不同空間位置甚至是不同宇宙中出現。這樣,宇航員可以通過蟲洞快速到達遙遠的星系,實現星際旅行。

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然而,要形成穩定的蟲洞需要特殊的物質和能量,例如暗物質或暗能量,這些物質和能量目前還沒有被觀測到。但值得一提的是,暗物質和暗能量都被認為是存在的。也就是說蟲洞在理論上是存在的,只是沒有被我們發現。

而且蟲洞的利用實際上也有很多問題,我們需要找到穩定的蟲洞,并能夠控制進入和穿越蟲洞的過程。 此外,蟲洞可能會受到強大的引力和時空扭曲的影響,因此還需要解決航天器的能量、導航和生命支持等方面的挑戰。換言之即使我們現在發現蟲洞,以現有的科技也無法將其利用起來。

結語

雖然目前的技術限制我們無法實現快速星際旅行,但我們可以將旅行者一號的探索視為一次重要的啟示。 這個探測器在長達數十年的時間里,向我們發送了寶貴的數據和圖像,拓寬了我們對太陽系以及更遠處的星際空間的認識。

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它不僅在科學上取得了重要的突破,也激發了我們對宇宙的想象和探索的熱情。

隨著科技的不斷進步,我們可以期待未來可能出現的新技術和創新,為星際旅行開辟道路。太陽帆、離子推進器、核推進器等技術的發展,為我們提供了一些可能性。同時,蟲洞和曲率驅動航空航天器等理論的探索,也為我們展示了星際旅行的可能性。相信隨著科技的發展,終有一日我們可以離開太陽系,走向真正的深空。

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