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提問:

我知道新視野號探測器借用了木星的引力加速作用使其能更快地飛抵冥王星,我也知道木星的速度會因此減慢一點點,那麼問題來了:需要多少次這樣的飛越才能使木星完全停下來呢?

——Dillon

回答:

遠遠超過我們能夠承受的範圍。

太空飛船有時會近距離飛越品質大,運動速度又快的行星,這樣就能在不消耗燃料的情況下提升自身的速度。[1]根據角動量守恆定理,這樣的飛越同時會略微減慢行星的速度,但似乎從來沒有人為此擔心過。

(很長一段時間以來,我都誤解了這張列表,以為要倒過來看這張表)

行星不會因為一次飛越就減慢很多的速度,因為行星的品質比太空飛船的品質大太多了。新視野號飛越木星後速度增加了約4千米/秒,與此同時木星的速度則降低了10^(-21)米/秒。[2]

10^(-21)米/秒看上去就像是撓癢癢,但它實實在在地改變木星的執行軌道,縮短它公轉一週所需的時間,並使它更靠近太陽一些。多虧了這次飛越,當太陽變成超新星時,木星會比原本提前幾納秒感受到太陽的威力!

(50億年後,我們將面臨IPv4地址用盡的窘境)

只會產生幾納秒的影響?太不給力了!我們需要執行更多次的飛越!那麼我們承擔得起多少次呢?

新視野號任務在整個預估的生命週期中會耗費美國政府約7億美元的資金,而與此同時,美國政府在其他事務上花費了大約47.879840萬億美元。如果我們裁掉其他一切事物的資金,[3]把它們轉移到新視野號任務上來,那麼我們能夠發射6.8萬個同樣的探測器。

不過這會帶來一些問題。首先,新視野號上的電池裡含有許多鈽元素。這堆鈽(約10千克)是由核反應堆中的鈾加工而成。發射6.8萬個新視野號探測器所需的鈽會消耗掉全世界大半的鈾儲備。

但還有更糟的事情呢。[4]NASA估計發射一艘攜帶著鈽的飛船發生事故的概率約為1/300,而一旦發生事故所攜帶的放射性鈽元素就會洩露到大氣層中去。如果真要發射6.8萬次,那麼就可能會發生200多次核事故,這可不是什麼好事。

(噢!我是說這還說得過去,大概控制在一百多次就行了)

但要是這麼做真能把木星停下來那也值了!可遺憾的是,6.8萬個新視野號探測器遠遠不夠。雖然它們能夠偷走木星微不足道的一點速度,但在整個太陽系毀滅之前,其對木星產生的影響加在一起也只有2微秒。

如果我們能夠降低太空飛船的造價,或許我們可以發射更多的探測器,但遲早我們會用盡建造材料。首先燃料肯定會被全部用完,那麼我們假定我們建造出了某種太空電梯,能夠使得太空發射變得更加便宜。但之後全世界的鈾(用於製造鈽)也會迅速耗盡,於是我們就需要用一大塊鉛塊來代替鈾,反正探測器本身並不需要做功。

到最後連鉛儲備也耗盡了。於是喪心病狂的地球人開始用石頭或者垃圾什麼的代替鉛塊,可用不了多久這些東西也用完了。到了某個時間點,為了能夠減慢一點點木星的前進速度,絕望的地球人會落到手捧著石頭和塵土,把它們扔進一個印有大大的NASA字樣的麻袋的可悲地步。

(為了應對麻袋裝太滿被撐開的情況,尼克松讓William Safire準備了那篇著名的演講稿

【譯註】真相是這篇演講稿是給阿波羅11號如果失敗的情況準備的)

到後來連石頭也沒有了。不管你信不信,反正我是信了。

地球的地殼裡一共就這麼點東西。[5]即使我們把地表的幾千米深的地殼都挖出來扔向木星,雖然我並不建議這麼做,也只能降低土星不到1英里/時的速度。

我們早就該想到這個方法行不通,因為地球的品質比木星小太多了。[6]即使我們把整個地球扔過去,也只能降低木星幾百分之一的速度,大約是若干英里/時這麼多。這就有點像之前那個關於網球的討論:如果你想靠乒乓球來停下一輛卡車,那麼網球的動量必須要大於卡車的動量,這意味著網球要麼很重,要麼很快,或者兩者兼備。

所以這才是這個問題的核心所在:想靠引力加速作用來把某顆行星的速度降為零,就像朝一輛急速駛來的卡車扔網球,並寄希望於卡車能夠停下來一樣……

(費德勒迴旋(藝術作品))

……除非你有一個巨大無比的網球。

註釋

[1] 你可能很難理解為什麼能夠通過飛近飛離一顆行星這個過程來獲得更快的速度,因為從直覺上來想,任何你在飛近行星時獲得的速度都會在飛離時失去。但引力並不是這樣的,引力加速的原理和繩子和彈簧其實差不多,只不過尺寸要大很多而已。當你飛近一顆行星,繞著它轉幾圈,然後原方向返回時,你會獲得額外的速度,就像你被行星彈走了一樣。如果行星本身有速度的話,你能夠獲得更多的速度——這有點像你朝一輛向你駛來的卡車擋風玻璃扔一個網球一樣。具體的原理請參見What If第38期,或者至少看一眼那裡面的圖示。

[2] 計算過程有點複雜,因為速度和方向都在發生變化。如果你想深入了解的話,這篇論文是一個很棒的入門材料。

[3] 減速木星才是大事,其他的都靠邊站去。

[4] 和鈽染上關係的好像都不是什麼好事。

[5] 術語就是這樣的。(可能是吐槽公眾認為地殼很厚的想法)

[6] 地球的品質幾乎正好等於0.001個木星的π倍。

(遍譯:豬的米)

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