这是一个网上提问,这道题有点意思,但题主还是犯了很多人的通病――脑子里隐藏着顽固的绝对时空观,不真正理解相对性原理和惯性原理。
太阳和旅行者号的银河系轨道
题主的意思:太阳带领着太阳系绕银河系中心天体公转,公转速度250公里/秒,如果旅行者一号反着太阳公转运动的相反方向飞行,速度将会非常大,至少为250+V,会很容易飞出太阳系。是不是?美好愿望是挺好,但这是不可能的。为了讲清这个问题,先说一下太阳系的结构特点,地球绕着太阳公转的轨道面叫做黄道面,太阳系的其它大行星、矮行星、小行星也几乎都在黄道面运行。
一,从地球发射的飞行器如果不考虑具体任务性质,只想离开太阳系,那它有4种明显的方向,
1,沿着黄道面且重直于太阳系公转运动方向(向左或向右是一样的);2,垂直于黄道面方向(向上或向下是一样的);3,与太阳公转运动同方向;4,与太阳公转运动反方向。
其中第1种除了受到几大行星的些微影响以外,与第2种是一样的,都是以速度V飞离太阳系,这没什么可讲的。第3种情况飞行器与太阳公转运动同方向飞行,相对于太阳系是以速度Ⅴ飞离太阳系,如果以银河系中心天体为参照物,则飞行器速度为250+V,没毛病。
二,下面我们着重讲一下第4种情况。
第4种情况就是题主说的情况――飞行器与太阳公转运动反方向飞行,它相对于太阳系到底是多大速度呢?很明显题主的意思就是250+V,他认为飞行器这个速度V是相对于银河系的中心天体的速度。他下意识地认为存在一个绝对静止的参考系,任何物体的运动速度都是相对于它。实际上他错了,因为他否认了惯性,否认了相对性原理:物理定律在任何参考系中的数学表达式都是一样的、协变的,在任何参考系中发生的事件的观察结果是一样的。
以同等的力分别在地面和一列高速运动的列车车厢上平抛一块石头,结果石头落地的时间和距离都是一一样的。这表明石头相对于各自参考系的速度是一样的,石头在列车上的速度中并没有减去列车的速度,也证明了并不存在绝对静止的参考系。根据这个观察结果我们判断不出我们是在相对静止的地面还是在高速运动的列车上。
我们接着再看一个例子,还是那个列车,
在那个高速运动的列车车厢中间分别向前后以同等力平抛出石头,结果会怎样?结果石头落地的时间和距离还是一样的。这说明在同一参考系中无论向何方向,以同等合外力施加在物体上,得到的速度大小相对于该参考系是一样的,与该参考系如何运动无关,且该大小只对该参考系有意义。回到飞行器与太阳公转运动反方向飞行这个问题上,同理飞行器的速度V是相对于太阳系的,并不是相对于银河系的中心天体,相对于银河系的中心天体的速度应该是-(250-V),前面的负号表示它相对银河系中心天体的速度方向不是逆太阳公转方向,而是与太阳公转方向相同。(实际上太阳公转运动路线是很复杂的,太阳在银河系随猎户座支臂并不是平滑运动,而是蛇形运动)
三,最后
“旅行者一号”从地球发射以后,一直处在太阳系这个大参考系中,它的速度大小都是相对于太阳系,无论它向哪个方向飞离太阳系,它相对于太阳系的速度都是一样的,与太阳系本身往那个方向运动无关。这就是相对性原理。也就是说上面所说的4种飞行方向实际上在结果上本质上都是一样的。至于“旅行者一号”为什么不选择第二种垂直于黄道面的方向,是因为旅行者一号要先去探测太阳系外侧大行星,不是单纯为了跑出太阳系。如果选择第二种将碰不上任何太阳系行星。
现在的旅行者一号正在太阳系的垂直“上方”