離開(kāi)地球39年的那臺(tái)探測(cè)器旅行者一號(hào)

1、離開(kāi)地球39年的那臺(tái)探測(cè)器, 你還好嗎？“旅行者一號(hào)”也是首個(gè)人造的沖出太陽(yáng)系的飛行器旅行者1號(hào)（Voyager 1）自1977年9月5日發(fā)射，至今仍在運(yùn)作。在離開(kāi)地球的39年中，它曾到訪過(guò)木星及土星，是第一個(gè)提供了木星、土星以及其衛(wèi)星詳細(xì)照片的探測(cè)器。現(xiàn)在，它已經(jīng)離開(kāi)了太陽(yáng)系，繼續(xù)向銀河系中心前進(jìn)，再也回不來(lái)了?！奥眯姓咭惶?hào)”同時(shí)也是首個(gè)沖出太陽(yáng)系的人類(lèi)制造的飛行器，在人類(lèi)的航空航天史上成為一座極具紀(jì)念意義的里程碑，是距今離地球最遠(yuǎn)的人造衛(wèi)星。那么“旅行者”是如何飛出太陽(yáng)系，在這39年中又經(jīng)歷了怎樣的奇幻旅程呢？NASA現(xiàn)役工程師Robert Frost，在Quora上進(jìn)行了一番非常精彩的敘

2、述。首先，我們應(yīng)該了解一下將要去“飛出”的那個(gè)地方:太陽(yáng)系在太陽(yáng)系中的行星們?nèi)找共煌５谋３种稗D(zhuǎn)”這個(gè)姿勢(shì)，它們都以不同的速度，周期和軌道圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，每一顆行星的狀態(tài)都是獨(dú)一無(wú)二的，就像下面這張圖展示的一樣：行星們雜亂無(wú)章的運(yùn)行就像叢林中的陷阱，由于萬(wàn)有引力的存在，任何飛行器都很難沖出這樣重重的障礙，但在上個(gè)世紀(jì)70年代中期，出現(xiàn)了一次非常難得的機(jī)會(huì)，行星們恰好運(yùn)行到了一個(gè)非常絕妙的相對(duì)位置，為飛行器的航行提供了一條“星光大道”，就是下圖中的這條黃線：這時(shí)，之前說(shuō)好的基礎(chǔ)物理學(xué)水平告訴我們，兩點(diǎn)之間線段最短??！這條路線顯然不效率，但稍微高端一點(diǎn)的物理學(xué)又告訴我們，由于地球圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，那

3、么如果我們想將物體發(fā)射到太空中，這個(gè)物理就必須擁有與地球公轉(zhuǎn)同樣的軌跡，這就好像我們坐在高鐵列車(chē)上，如果車(chē)身可以做成透明的，那么在外面的人看到的就是一群人以坐姿呼嘯而過(guò)，并且發(fā)型不亂如果你還無(wú)法理解，那么可能是空間尺度過(guò)大的原因（當(dāng)然不能排除天然呆），咱們將空間尺度縮小到一個(gè)盤(pán)子上，同時(shí)需要一只螞蟻?zhàn)鳛榕R時(shí)工，讓它從圓心爬向邊緣，顯然路線就是盤(pán)子的半徑，一條線段；但當(dāng)盤(pán)子開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，雖然“臨時(shí)工”所經(jīng)過(guò)的路線依然是一條線段，但在我們看來(lái)，則是一條曲線理解了這個(gè)問(wèn)題，我們就可以回到人類(lèi)的世界，有能力制造并使用一架太空探測(cè)器，無(wú)疑是人類(lèi)的偉大成就之一，同時(shí)我們又遇到了每隔179年才會(huì)出現(xiàn)一次的“星光

4、大道”，無(wú)論如何我們都沒(méi)有理由錯(cuò)過(guò)這次絕妙的機(jī)會(huì)。于是，在70年代中葉，為了對(duì)得起這次絕佳的機(jī)會(huì)，我們制造了兩架同樣的探測(cè)器，旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)，即使其中一架出現(xiàn)了問(wèn)題，還有第二架可以保證計(jì)劃繼續(xù)進(jìn)行（請(qǐng)不要問(wèn)為什么不制造100架，我們對(duì)自己還是有信心的），下圖就是它們的外形：俗話說(shuō)飽帶干糧晴帶傘，準(zhǔn)備齊全總是沒(méi)錯(cuò)的，何況又是如此難得的良機(jī)，于是兩架探測(cè)器中被裝備了大量的科學(xué)儀器，其中包括一臺(tái)高清行星照相機(jī)和用以探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向以及宇宙射線的測(cè)力計(jì)。那么，問(wèn)題來(lái)了：1.這兩架探測(cè)器的動(dòng)力是什么？他們會(huì)在宇宙中旅行多久？說(shuō)到這里，請(qǐng)看下圖：我保證這是文中出現(xiàn)的唯一一個(gè)公式，你基本可以無(wú)視它

5、，只聽(tīng)故事就好：想象一下自己馳騁在籃球場(chǎng)上，場(chǎng)邊美女如云，眼神熱辣，你本想把球傳給一位離你很近的隊(duì)友，但此時(shí)機(jī)智的你發(fā)現(xiàn)了更好的得分機(jī)會(huì)，于是你用了更大的力氣將球傳給了稍遠(yuǎn)一些的隊(duì)友，因?yàn)槟阒廊绻玫牧庑×?，球可能無(wú)法飛到隊(duì)友那里。這就是牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律：任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。在剛才意淫中，因?yàn)橹亓涂諝庾枇Φ拇嬖?，球能夠順利到達(dá)隊(duì)友手中，是因?yàn)槟阌昧烁蟮牧?lái)保持球的受力平衡。對(duì)于一艘宇宙飛船來(lái)說(shuō)，這個(gè)概念至關(guān)重要，不要被科幻片中的情節(jié)所迷惑，宇宙飛船都是拖著長(zhǎng)長(zhǎng)尾焰才能前進(jìn)，事實(shí)上，根本不需要這樣。在旅行者飛船被發(fā)射的初期，它們?nèi)匀皇菄?/p>

6、繞著地球軌道運(yùn)行，在準(zhǔn)備妥當(dāng)后，飛船會(huì)進(jìn)行點(diǎn)火加力，改變目前的受力平衡狀態(tài)，從而離開(kāi)地球，向太空飛去，在這之后，飛船便不再需要任何動(dòng)力就可以飛行下去。因?yàn)樘罩胁](méi)有空氣阻力和重力的影響，但這時(shí)仍然會(huì)有一個(gè)外力會(huì)讓飛船失去平衡狀態(tài)：萬(wàn)有引力。太陽(yáng)的質(zhì)量大到我們無(wú)法想象，因此太陽(yáng)也有著巨大的引力，這就好像你在一張床墊上放了一個(gè)鐵球，床墊自然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凹陷，這樣一來(lái)，鐵球旁邊的物理也會(huì)隨之落入這個(gè)凹陷。離鐵球越近，凹陷所產(chǎn)生的曲面就會(huì)越陡，就越難脫離這個(gè)凹陷，而相對(duì)遠(yuǎn)離凹陷的地方，則會(huì)平緩一些。對(duì)于宇宙飛船而言，太陽(yáng)就是這個(gè)鐵球，所以我們想到了一個(gè)辦法，給予宇宙飛船更大初始速度，即使在太陽(yáng)強(qiáng)大的引

7、力作用下，飛船的速度也不會(huì)降到零，這樣，隨著飛船離太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn)，就可以成功逃離太陽(yáng)的引力作用。這就是我們常說(shuō)的“逃逸速度”。任何一艘飛船，只要達(dá)到了其相應(yīng)的逃逸速度，都以在不借助引擎持續(xù)推進(jìn)的情況下離開(kāi)太陽(yáng)系。在剛剛離開(kāi)地球時(shí)，在前文我們已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，旅行者探測(cè)器會(huì)擁有與地球公轉(zhuǎn)相同的速度，大約為36千米/秒，此時(shí)我們進(jìn)行一次點(diǎn)火推進(jìn)，大約需要42千米/秒的速度才能離開(kāi)地球。由于地球所在的位置距太陽(yáng)較近，太陽(yáng)的引力作用非常強(qiáng)烈，所以當(dāng)旅行者探測(cè)器行至木星附近時(shí)，其速度僅剩大約9千米/秒，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到此處的逃逸速度，但是不要忘了，此時(shí)可是179年一遇的絕佳時(shí)機(jī)，旅行者探測(cè)器借助木星的引力，將其速

8、度又提升到了大約25千米/秒，這樣的過(guò)程在后面的行星中重復(fù)進(jìn)行，最終，旅行者探測(cè)器成功的離開(kāi)了太陽(yáng)系。至此，旅行者探測(cè)器永遠(yuǎn)的離開(kāi)了太陽(yáng)系，再也回不來(lái)了。2.NASA如何接收旅行者探測(cè)器傳回的信息，這些信息傳回地球需要多長(zhǎng)時(shí)間？實(shí)際上，NASA擁有一套完整的“深空網(wǎng)絡(luò)”（DSN，Deep Space Network），在加州、西班牙和澳大利亞，NASA建造了三處巨大的深空通信設(shè)施，這三處設(shè)施分別相距120度，剛好可以覆蓋全球。這樣，無(wú)論是從何處發(fā)來(lái)的信息，都可以被接收到。在設(shè)施的設(shè)計(jì)方面，也有著超前的規(guī)劃，理論上說(shuō)，這些設(shè)施可以接收到旅行者探測(cè)器飛行一個(gè)世紀(jì)后傳回的信息，但事實(shí)上，旅行者探測(cè)器

9、預(yù)計(jì)在2025年就會(huì)全面停止工作，無(wú)法再傳回任何信息，雖然旅行者探測(cè)器上的設(shè)備都采用了核動(dòng)力功能，但仍然會(huì)有能源枯竭的一天。在前面的旅行者探測(cè)器肖像中我們看到一個(gè)白色碗狀的天線，信號(hào)從旅行者探測(cè)器發(fā)出時(shí)，信號(hào)功率約有19瓦，但會(huì)在傳輸?shù)倪^(guò)程中逐漸衰減，最終地球接收到的信號(hào)強(qiáng)度僅剩10的-16次方瓦，而這個(gè)傳輸?shù)倪^(guò)程，大約需要16個(gè)小時(shí)。好在旅行者探測(cè)器發(fā)送的信號(hào)為8.4GHz的高頻信號(hào)，這是一個(gè)在地球上基本不會(huì)用的頻率，所以我們很容易發(fā)現(xiàn)和接收旅行者探測(cè)器發(fā)回的信息。旅行者探測(cè)器可能會(huì)在太空中漂流數(shù)十億年，而在那時(shí)，太陽(yáng)系早已不復(fù)存在，但旅行者探測(cè)器上清晰的記載著人類(lèi)曾經(jīng)存在過(guò)的證據(jù)。旅行者探

10、測(cè)器攜帶了一張銅質(zhì)磁盤(pán)唱片，外徑為12英寸，鍍金表面，內(nèi)藏金剛石留聲機(jī)針。這意味著即使是數(shù)十億年之后，這張唱片的音質(zhì)依然和新的一樣。唱片就像一個(gè)時(shí)間膠囊，濃縮了人類(lèi)文明的精華，其中記錄了用55種人類(lèi)語(yǔ)言錄制的問(wèn)候語(yǔ)和各類(lèi)音樂(lè)，115幅影像，包括太陽(yáng)系各行星的圖片、人類(lèi)的性器官圖像及說(shuō)明等，唱片內(nèi)還包括一個(gè)90分鐘的聲樂(lè)集錦，主要包括地球自然界的各種聲音以及27首世界名曲，其中有中國(guó)古曲流水、莫扎特的魔笛和日本的尺八曲等。另外，唱片封套上也包括了一塊高純度的鈾238。由于已知其衰變?yōu)轭?39的半衰期約為41.7億年，這樣捕獲此唱片的外星生命即可據(jù)此推算出探測(cè)器的發(fā)射日期。值得一提的是，在這張磁盤(pán)上，還記錄著一段來(lái)自美國(guó)總統(tǒng)吉米-卡特的留言：這艘“旅行者”號(hào)宇宙飛船是美利堅(jiān)合眾國(guó)建造的。我們是一個(gè)具有2.4億人類(lèi)生命的集體，我們與居住在地球上的40億人類(lèi)共同生存著。我們?nèi)祟?lèi)現(xiàn)在仍以國(guó)家劃分，但是這些國(guó)家正在迅速地成為一個(gè)單一而又綜合的文明世界。我們向外星致文。此文可能在未來(lái)的10億年中長(zhǎng)存，屆時(shí)我們的文明世界將會(huì)發(fā)生深刻的變化。當(dāng)?shù)厍蛎婷惨泊鬄楦挠^時(shí)，這一信息可能依然存在。在銀河系2000億顆恒星中，一些（也許更多）恒星的行星上有生命居住，并存在著遙遠(yuǎn)的宇宙文明。如果一個(gè)文明世界截獲了“旅行者”號(hào)，并能理解它所攜帶的錄制內(nèi)容，就請(qǐng)接受我