2019年02月25日 11:06 來源：齊魯晚報
參與互動□顧山楠
「地球想逃出太陽系，為什麼偏要走到離木星那麼近的地方去？」最近在看完大熱的科幻電影《流浪地球》後，很多人都有這樣的疑問。雖然電影和原著小說中都籠統地解釋這是為了利用「引力彈弓」，但想解釋什麼是「引力彈弓」，卻著實要費一番口舌。
不知你小時候是否玩過一種叫「彈力球」的玩具，這種玩具由於彈性極強，丟到哪裡都幾乎會以原速彈回來。但如果你敢把它扔向一輛疾馳而來的汽車(請各位讀者千萬不要模仿)，你將看到彈力球在回彈時突然獲得了一個極大的速度——假如真的做了這個實驗，你的彈力球就找不到了，因為回彈速度太快，你根本看不清它被彈到哪裡去了。
小時候，筆者也對這個神奇的現象百思不得其解。直到高中物理學了彈性碰撞後才理解其中緣由——我們假設彈力球的速度是v,而汽車的速度是U。那麼，以汽車為參照系，整個碰撞過程可以描述為：彈力球以v+U的速度撞來，與汽車發生彈性碰撞後，又以同樣v+U但方向相反的速度彈開。而對在地面上靜止的觀察者看來，彈力球彈開的速度則是U(汽車相對地面的速度)+(v+U)(彈力球相對汽車的速度)=2U+v。也就是說，彈力球在回彈過程中憑空獲得了兩倍於汽車的速度。
這個過程看似不符合能量守恆定律，但仔細一分析會發現，彈力球其實是「偷」了一部分汽車的動能，只不過兩者質量相差太懸殊，汽車的這點動能損失可以忽略不計。
所謂的「引力彈弓」，其實就是在宇宙尺度上重演該過程。現在讓我們將木星想像成那輛卡車，而「流浪地球」就是那個彈力球。我們知道木星等行星是繞太陽公轉的，假設它繞太陽公轉的線速度是U,「流浪地球」迎著它的公轉方向，以速度v切入，在被木星引力「溜」了半圈之後又被甩了出去。根據能量守恆定律，我們可以將這個過程近似地看做一次彈性碰撞。地球切入木星軌道前，相對太陽的速度是v,但被甩出去時，相對太陽的速度在最理想狀態下則接近2U+v。也就是說「流浪地球」憑空獲得了兩倍於木星公轉的速度，這些速度可以幫助地球更快逃脫太陽系引力束縛，開啟「流浪」之旅——當然加速的這個能量也是從木星那裡「偷」來的。
這個過程聽起來很神奇，但實則沒有那麼高大上。事實上，與影片中人類技術都高度發達了，用個引力彈弓還差點玩砸了不同。現實中的人類早已將該設想成功化為實踐。
早在1918年俄羅斯科學家尤裡就曾提出過引力彈弓的最初設想，1961年，美國學者米諾維奇在用計算機計算了太陽系各行星軌道後發現，1977年時木星、土星、天王星、海王星剛好都將運行到太陽的一側，如果此時發射飛向太陽系外的飛行器，將剛好能利用這四個行星的引力彈弓獲得最大加速。而錯過這一時機，需要再等176年才能獲得這樣絕佳的「窗口」。於是美國宇航局緊急研製並於當年8月20日和9月5日發射了「旅行者一號」、「旅行者二號」探測器。
這兩顆探測器成功地在「引力彈弓」效應的助推下飛出了太陽系，成為人類迄今為止飛得最遠的兩顆造物。