這是一個網上提問,這道題有點意思,但題主還是犯了很多人的通病――腦子裡隱藏著頑固的絕對時空觀,不真正理解相對性原理和慣性原理。
題主的意思:太陽帶領著太陽系繞銀河系中心天體公轉,公轉速度250公裡/秒,如果旅行者一號反著太陽公轉運動的相反方向飛行,速度將會非常大,至少為250+V,會很容易飛出太陽系。是不是?美好願望是挺好,但這是不可能的。為了講清這個問題,先說一下太陽系的結構特點,地球繞著太陽公轉的軌道面叫做黃道面,太陽系的其它大行星、矮行星、小行星也幾乎都在黃道面運行。
一,從地球發射的飛行器如果不考慮具體任務性質,只想離開太陽系,那它有4種明顯的方向,
1,沿著黃道面且重直於太陽系公轉運動方向(向左或向右是一樣的);2,垂直於黃道面方向(向上或向下是一樣的);3,與太陽公轉運動同方向;4,與太陽公轉運動反方向。
其中第1種除了受到幾大行星的些微影響以外,與第2種是一樣的,都是以速度V飛離太陽系,這沒什麼可講的。第3種情況飛行器與太陽公轉運動同方向飛行,相對於太陽系是以速度Ⅴ飛離太陽系,如果以銀河系中心天體為參照物,則飛行器速度為250+V,沒毛病。
二,下面我們著重講一下第4種情況。
第4種情況就是題主說的情況――飛行器與太陽公轉運動反方向飛行,它相對於太陽繫到底是多大速度呢?很明顯題主的意思就是250+V,他認為飛行器這個速度V是相對於銀河系的中心天體的速度。他下意識地認為存在一個絕對靜止的參考系,任何物體的運動速度都是相對於它。實際上他錯了,因為他否認了慣性,否認了相對性原理:物理定律在任何參考系中的數學表達式都是一樣的、協變的,在任何參考系中發生的事件的觀察結果是一樣的。
以同等的力分別在地面和一列高速運動的列車車廂上平拋一塊石頭,結果石頭落地的時間和距離都是一一樣的。這表明石頭相對於各自參考系的速度是一樣的,石頭在列車上的速度中並沒有減去列車的速度,也證明了並不存在絕對靜止的參考系。根據這個觀察結果我們判斷不出我們是在相對靜止的地面還是在高速運動的列車上。
我們接著再看一個例子,還是那個列車,
在那個高速運動的列車車廂中間分別向前後以同等力平拋出石頭,結果會怎樣?結果石頭落地的時間和距離還是一樣的。這說明在同一參考系中無論向何方向,以同等合外力施加在物體上,得到的速度大小相對於該參考系是一樣的,與該參考系如何運動無關,且該大小隻對該參考系有意義。回到飛行器與太陽公轉運動反方向飛行這個問題上,同理飛行器的速度V是相對於太陽系的,並不是相對於銀河系的中心天體,相對於銀河系的中心天體的速度應該是-(250-V),前面的負號表示它相對銀河系中心天體的速度方向不是逆太陽公轉方向,而是與太陽公轉方向相同。(實際上太陽公轉運動路線是很複雜的,太陽在銀河系隨獵戶座支臂並不是平滑運動,而是蛇形運動)
三,最後
「旅行者一號」從地球發射以後,一直處在太陽系這個大參考系中,它的速度大小都是相對於太陽系,無論它向哪個方向飛離太陽系,它相對於太陽系的速度都是一樣的,與太陽系本身往那個方向運動無關。這就是相對性原理。也就是說上面所說的4種飛行方向實際上在結果上本質上都是一樣的。至於「旅行者一號」為什麼不選擇第二種垂直於黃道面的方向,是因為旅行者一號要先去探測太陽系外側大行星,不是單純為了跑出太陽系。如果選擇第二種將碰不上任何太陽系行星。
現在的旅行者一號正在太陽系的垂直「上方」