螞蟻和宇宙飛船比賽,螞蟻爬到太陽與飛船飛到宇宙邊際哪個更快?

2020-12-05 時空通訊

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

這是一位網友提出的問題,覺得有趣就來湊湊熱鬧。

我們首先了解一下什麼是宏觀,什麼是微觀。

嚴格說起來,人們把肉眼能看得見的事物當做宏觀事物,肉眼看不見的事物叫做微觀事物。

太陽系和宇宙說起來都是宏觀事物,但在廣袤宇宙面前,太陽系就啥都不是了,我們完全可以把它當做一個微觀事物。

原子算微觀事物吧?如果太陽系是一個原子,宇宙就是一個直徑約為4.65米的大球。原子有多大?直徑約10^-10m,也就是百億分之一米;太陽系有多大?如果按照太陽引力影響範圍的奧爾特雲計算,半徑約1光年;宇宙有多大?可觀測宇宙半徑465億光年。

宇宙直徑比太陽系大465億倍,一個原子直徑的465億倍,就是一個4.65米直徑的球。

這樣說,只不過為了說明宇宙怎麼弄都還是一個宏觀事物,別以為4.65米直徑的球很小,但與原子相比可大了,要知道,在一個針尖上就可以擺放100億個原子。

而地球到太陽的距離就更小了,只是這個原子半徑的310億分之一,是這個4.65米直徑的宇宙球的多少分之一,自己算吧。

現在我們來說說螞蟻的賽跑速度和散步速度。

這種競賽當然比烏龜和兔子賽跑的故事還要驚世駭俗,差距太大。因為烏龜如果不打瞌睡的話,比螞蟻跑得還是快多了;而兔子與飛船的速度來比更是雲裡霧裡的差距了。

螞蟻的速度有多快呢?有研究認為,螞蟻覓食時在食物引誘下,爬行的平均速度約0.027m/s,而在逃生時,爬行速度可達0.0343m/s。我們把這兩個速度當做螞蟻的小跑和快跑速度吧。

螞蟻爬到太陽去,當然不能一直跑,這樣會累死的。因此我們可以讓它們一邊觀光一般散著步去。螞蟻的散步速度大概在0.01m/s,這種速度爬到太陽需要多久呢?我們來算一下。

計算式為:f=D/v

這裡,f表示所需時間,單位s;D為日地距離,單位m;v為螞蟻爬行速度,單位m/s。

日地距離為約1.5億千米,D=150000000000m;螞蟻爬行速度為v=0.01m。

代入數據計算得:

150000000000/0.01=15000000000000s

一個儒略年為365.25天,為31557600秒,這樣得:15000000000000/31557600≈475321a(年)

現在我們來看看人類目前的宇宙飛船速度。

載人飛船最遠只到過月球,因為月球還在地球引力圈內,因此飛到月球的飛船不需要達到地球脫離速度。脫離速度為11.2km/s,飛到月球的飛船速度大約為11km/s左右吧。

現在我們飛得最遠的無人探測器是NASA於1977年發射的旅行者1號,飛了40多年,現在已經飛出了220多億千米,目前還在柯伊伯帶,正在向太陽系外飛去,飛行速度為17km/s。

按這種速度飛出1光年半徑的太陽系引力範圍,還需要17600多年。

目前人類發射的無人探測器速度最快的是帕克號太陽探測器。這是NASA於2018年發射的人類首艘恆星探測器,現在正在圍繞著太陽運行,在日冕層冒著高溫近距離撫摸太陽這隻老虎的屁股,速度達到每秒100多千米。

到了2024年,帕克號將到達太陽最近軌道,距離太陽表面只有600萬千米,不及水星軌道的9分之一。屆時速度將達到200km/s,冒著1400度高溫穿梭在太陽大氣層。完成任務能量耗盡後,帕克會在2025年衝向太陽,以葬身火海的壯舉結束自己7年太陽探索生涯,隨之而化為太陽金焰的還有存有113.7萬人類姓名的內存卡,這些名字是NASA向全世界公開徵集,自願報名者,其中不乏有中國宇宙航天愛好者。

現在我們來算算宇宙飛船飛到宇宙邊際需要多久。

簡單計算公式依然可以沿用螞蟻爬太陽公式,為:F=D'/v'

這裡F表示飛到宇宙邊際的時間,單位a(年);D'為可觀測宇宙半徑,單位ly(光年);v'為宇宙飛船速度。

現在載人飛船還沒有突破第二宇宙速度,需要載人登陸火星才能夠達到,為了快些飛到宇宙邊際,我們採用現在比較快的無人飛船速度。這種速度有17km/s和200km/s兩個選選項,我們選快的,每秒200千米。

代入公式F=46500000000/0.000667≈69715142428785a

根據計算,一款帕克探測器最高速度的太空飛船,要飛到465億光年的可觀測宇宙邊際,需要約70萬億年時間;如果按照旅行者1號的速度,則需要約820萬億年。

這個時間是一隻螞蟻爬到太陽時間約1.5億倍到17億倍。

實際上,在愛因斯坦廣義相對論引力場理論中,宇宙是禁閉在一個無限曲率的場中,因此不管是光線還是任何速度的物質,都只能在曲率中航行,都無法到達其邊際。就像人在地球上走路,即便你感覺是在走直線,也只能一直圍著地球兜圈子,不但永遠走不出地球,也永遠看不到邊際。

這就是宇宙有界無邊說法的內涵。這些問題我在過去許多文章中多有闡述,這裡就不佔用篇幅了。

回答計算螞蟻和飛船速度距離這種問題,只是為了讓大家輕鬆一下,同時和大家一起了解一下宇宙之大和我們視界之小的概念,遊戲而已,請勿當真。

謝謝閱讀,歡迎討論。

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