地球人、外星人和宇宙“逃逸运动”解析

在牛顿力学中,一个物体摆脱地球引力的“逃逸速度”指的是在地球表面垂直向上抛出一个物体,该物体能够逃离地球的最小速度。如果小于逃逸速度,那么该物体在上升到一定的高度后会由于地球引力的作用降落到地面;如果高于逃逸速度,那么该物体不仅不能返回地面,还会以更快的速度逃离地球。如果将航天活动看成是一种人类远离地球的“胜利大逃亡”,那么人类逃逸地球束缚的能力取决于航天器能够达到的速度,航天器达到所谓的“第一宇宙速度”,航天员实现了绕地飞行;如果航天器达到超光速的飞行,那么航天员能够从黑洞的“牢笼”挣脱出来,实现人类“宇宙的自由”。

将牛顿力学应用到宇宙学的研究,就像将爱因斯坦的广义相对论应用到宇宙学的研究一样,或者牛顿力学和爱因斯坦广义相对论的宇宙学意义符合宇宙哲学的“等效原理”。将牛顿力学应用到宇宙学“逃逸速度”的计算上,物理学家或宇宙学家得出了四种逃逸速度。绕地飞行的航天器作圆周运动,环绕的速度就是第一宇宙速度,航天器在距地150公里高度上环绕的速度为每秒7.9公里。第二宇宙速度是指航天器飞离地球所需要的最小初始速度,从近地轨道上飞离地球的逃逸速度为每秒11.2公里。第三宇宙速度是指航天器飞离太阳系所需要的最小初始速度,摆脱太阳的引力需要的速度为每秒16.7公里。第四宇宙速速指的是航天器飞离银河系所需要的最小速度,摆脱银河系的引力需要的速度大约为每秒110至120公里。

根据运动学和动力学的规律在所有惯性系相同的“相对性原理”、或哲学惯性论的“等效原理”,外星人和地球人在任何一个星球上都将面临引力束缚和“逃逸速度”问题,逃逸速度取决于星球的质量,更大的星球质量对应更大的引力束缚和更大的逃逸速度,相反,更小的星球质量对应更小的引力束缚和更小的逃逸速度。外星人设计的航天器、或“飞碟”如果低于光速,他们将不能实现“黑洞穿越”或“虫洞穿越”的快捷,如果高于光速,他们能实现航行自由。一项发表在《天体生物学》杂志的研究成果表明,外星人逃逸引力束缚的能力可能远没有我们想象的那么神奇。

德国公民科学家迈克尔·希波克在一项独立研究中提出了“被束缚的外星人”的观点,外星人被束缚在大引力的“超级地球”上,不能和地球人“握手言欢”。大质量的行星拥有大的引力,外星人制作“火箭”需要付出更大的代价,在大质量行星居住的外星人苦于大引力的约束,难以将技术文明推进到卫星电视、登陆卫星、发射哈勃太空望远镜的地步。像不久前去世的霍金一类的地球人可以“高枕无忧”地在地球上起居,不用担心外星人的“入侵行动”。外星人和地球人所需的逃逸速度和逃逸能力符合哲学引力论的“等效原理”。如果存在全知全能的“上帝”,那么根据引力规律“平等对待”的等效原理,“上帝”要逃离黑洞的“囚笼效应”需要达到超过光的飞奔速度。我们可以将物理学规律的普遍性理解为全同性的“等效原理”,简单说来,“规律面前。一律平等”。

希波克根据地球人和外星人寻找“逃亡出口”的等效原理,计算了外星人在“超级地球”上的逃逸速度,如果某种外星人试图执行一个地球人的“阿波罗使命”,他们居住的“超级地球”相当于地球质量的十倍,那么他们需要携带的火箭燃料将达到44万吨,相当于一个最大埃及金字塔的重量,外星人逃逸的代价远远高出了地球人。天文学家的观测表明,像地球一样的系外行星在宇宙中十分罕见,常见的是那些质量相当于地球1.5倍以上的“超级地球”。大引力行星不利于外星人的“出行”,然而,天文学家指出,大引力会形成更好的生命保护伞,在行星周围吸附大气层,抵御太空宇宙射线的侵蚀。为了让外星人达到相当于地球人至少两倍以上的逃逸速度,希波克设想了外星人使用核动力飞船的可能,预想了外星人将发射台设在山顶和水下的情形,然而,大质量行星通常对应矮小的山峰,小质量行星对应高大的山峰,像太阳系最高的山峰位于质量较小的火星,而在“水”星上发射火箭的技术要求更为复杂。

宇宙中最大的“逃亡者”不是地球人、外星人,而是宇宙本身,宇宙的膨胀就像宇宙的“大逃亡”一样,或者我们在地球人、外星人的逃逸和宇宙的膨胀之间建立符合宇宙哲学“等效原理”的关联,基于哲学等效关系式的思维方式,我们获得了宇宙本身”逃逸速度“的概念,所有星系都在远离我们的方向上“飞驰而去”,如果宇宙膨胀速度、或者宇宙的逃逸速度足够大,那么星系将会克服宇宙自身的引力束缚,不断地逃离下去,这是一种宇宙大膨胀的模型;相反,如果宇宙膨胀速度、或者宇宙的逃逸速度不够大,宇宙自身的引力将会阻止星系的逃离,这是一种宇宙大收缩的模型。宇宙膨胀意味着星系之间的距离不断扩大,而宇宙收缩意味着星系之间的距离不断缩小。宇宙大膨胀和大收缩取决于膨胀速度和宇宙自身引力的大小,而引力取决于宇宙总质量的大小。

从大爆炸理论可以推测宇宙有一个诞生之初的起点,天体物理学家霍金和彭罗斯通过物理数学模型计算了宇宙的“奇点”,如果将宇宙看成是一个超级黑洞,那么宇宙最初的暴涨速度、或逃逸“奇点”的速度超过了光速。目前的宇宙处于加速膨胀阶段,在宇宙自身质量不变,逃逸速度随星系距离不断增加的条件下,我们暂时看不到宇宙发生大收缩的可能。本作者关心的一个科学哲学问题是:将宇宙的膨胀速度看成是星体和航天器的逃逸速度,说明膨胀速度和逃逸速度符合哲学逻辑论的“等效原理”。从地球到太阳,从太阳系到银河系,从银河系到宇宙的逃逸,从地球人到外星人的逃逸,这些逃逸概念的速度不同,遵循的引力原理相同。如果宇宙没有边界,那么地球人、外星人和宇宙的星系不能逃脱宇宙的范围,如果宇宙之外还有宇宙,那么星系在无限远离我们的宇宙“大逃亡”中也许能够进入平行宇宙的“领地”。

(邓如山 2018-4-25 [email protected]

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