1、2、3、4——冲向宇宙！
1、2、3、4——冲向宇宙！Original Takeko
原理 4 days ago
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时空的秘密
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很多很多很多年之后，一艘来自另一个星系的飞船降落在地球。一组外星科学家从飞船上走下来。他们的任务，是调查这个名为“人类”的种族在这颗看起来不寻常的蓝色行星上有着怎样的历史。
他们利用特殊的技术，搜索出了一些特别的文件和资料，窥探到了人类历史的一角。一些科学家在收集的证据旁做了笔记，“人类为自己起名Homo sapiens，他们似乎是个非常具有冒险精神的物种。人类的大历史，仿佛就是一段不断突破空间极限的故事”。
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人类对自身起源的研究在1987年迎来了一次重大的突破。加州大学伯克利分校的一群遗传学家，测序了来自147人的线粒体基因组，这些人来自世界各地。细胞中的线粒体遗传只来自母亲。人类科学家发现，所有这些人都是一位女性的后代，据粗略推断，这位女性大约生活在约20万年前（外星人注：时间都以人类纪元计算）。一些人将这位女性命名为“线粒体夏娃”（Mitochondrial Eve）。
这是一项颇具影响力的研究。很快，它与其他一些发现一同被整合进了“走出非洲”的说法中。在那个时代，人类认为现代人是在约15万至20万年前的某个时期生活在非洲，随后从非洲出走，征服了全世界。
然而，这似乎只是一个阶段性的成果。随着人类古DNA技术方面的飞速发展，有关人类起源的学说同样日新月异。人们开始发现，古人类的进化历史并非是一条简单的线，它甚至不能说是一棵“进化树”。在数万年前，与智人同时代的至少还有尼安德特人、丹尼索瓦人等多个人属物种，不同人类物种之间的发展线交汇穿插，错综复杂。
人类真的是来自非洲吗？还是全球多地起源？“我们还得要找到更多证据。”外星科学家这样备注道，“但无论如何，人类从最初就和其他兄弟物种竞争，并最终赢得了胜利，占领了地球。这或许足以说明，从一开始，他们就是一个具有冒险精神的好胜物种。”
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这种猜想被他们的另一个发现证实。1957年10月4日，苏联成功发射了斯普特尼克1号卫星，成为人类历史上第一颗人造卫星。
这让外星科学家开始好奇：人类从什么时候发现引力的秘密的？
仔细想想，引力是相当复杂的。在地球表面下落的球与绕地球运行的月球，在本质上所受的力是一样的，然而看上去又如此不同。最令外星科学家吃惊的是，人类竟然发现了这个奥秘！
他们发现，早在17世纪，一位名叫艾萨克·牛顿的人就揭示了这两种看似不同的力之间的关系。牛顿把行星（和卫星）的运动和地球表面物体的运动联系在了一起。他用一个思想实验解释了这一联系，也就是著名的“牛顿大炮”。
牛顿在《论世界的系统》（A Treatise of the System of the World）中展示了这个思想实验。在18世纪出版的《论世界的系统》英文译本中有这样一张图，表明在地球表面移动的物体最终可能成为绕地球运行的物体。牛顿想象了这样一个场景：一发超高速炮弹从一座超高的山上被发射了出来，这颗炮弹的实际射程会比普通炮弹更远；如果发射得足够快的话，这颗炮弹甚至可以完全“错过”地球，进入近地轨道。
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足够快是多快？人们借助了一些基本的物理知识来解决这个难题。“炮弹”在轨道上绕行时，引力充当了它的向心力。如果假设轨道半径约等于地球半径R，那么根据力的平衡，
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也就是说，想要“炮弹”不会掉落回地面，那么它从炮筒中被发射出来时，速度至少要达到7.9km/s，这可以理解成人类走出地球的“最低标准”。它也被称为第一宇宙速度（v1），或者环绕速度。
这个结果对于外星科学家来说并不陌生，但牛顿在他那个时代就弄清了万有引力这一点，着实让外星科学家吃了一惊。
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人类突破空间的尝试没有止步于发射环绕地球的卫星。20世纪中后期，不同国家之间进行了长达数十年的“太空竞赛”，在那样的背景下，人类争相希望成为第一个走进更深太空的人。
1959年1月2日，月球1号发射，它成为第一个接近月球的人类探测器，也是第一个摆脱地球引力的人造航天器。
理论上来说，“牛顿大炮”同样可以做到这一点。从能量守恒的角度，这个过程可以简化成：想要摆脱地球引力的束缚，就需要为“炮弹”提供足以抵消势能的动能，当两者恰好抵消时，就满足了“逃离地球”的最低要求。
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这个速度被称为第二宇宙速度（v2），或者逃逸速度。也就是理论上物体摆脱地球引力束缚，飞离地球所需的最小初速度。当然，在实际的发射中，情况要复杂得多。地球包含厚厚的大气层，因此还需要将阻力等能量损失纳入考量。因此第二宇宙速度只能被看作为一个等价的理论值。
“在基础科学的很多方面，人类的理解与我们几乎是一样的。”外星科学家写道。
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从发射第一枚人造卫星起，“人类宇宙大航海”的时代就被拉开了序幕。人类不仅把宇航员送上了月球，还走向了太阳系的其他行星兄弟姐妹。人们认识到，如果“牛顿大炮”的速度再快一些，航天器不仅能摆脱地球引力，甚至可以成功逃脱太阳的引力。
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由于太阳质量（Msun）比地球大得多，因此所需的逃逸速度（ve）也要大得多，这个速度至少要达到42.1 km/s。但“幸运”的是，从地球上射出的炮弹，本身获得了来自地球公转的初始速度（29.8km/s）。从动能的角度来看，只需要在第二宇宙速度的基础上，再摆脱额外速度（Δv = 42.1 - 29.8 = 12.3km/s）带来的动能就可以了。
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这就是第三宇宙速度（v3），也被称为太阳逃逸速度。
“截至21世纪初，一个名为NASA的人类太空机构先后发射了5个向太阳系外进发的航天器，分别是20世纪70年代发射的先驱者10号和先驱者11号、旅行者1号和旅行者2号，以及21世纪初发射的新视野号。”这也引起了外星科学家的好奇，“我们真应该找一找这些航天器现在飞到哪里了。”
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外星科学家非常清楚，根据类似的原理计算，如果地球上发射的航天器的速度还能更高一些，那么它们不仅能摆脱太阳系的束缚，还可以摆脱银河系的引力束缚，飞出银河系。因为这正是他们从其他星系来到银河系的方式。这样的速度也被称为第四宇宙速度。
但在21世纪初，人类对银河系大小和质量的了解还十分有限，根据当时的一些粗略的估计，等价的第四宇宙速度应该要超过500km/s。但对人类来说，这还完全停留在理论阶段。
不过，即使是在地球上，人类也没有停下脚步。同样在21世纪初，科拉超深钻孔已经达到了12263米的深度，按照垂直深度计算，它是当时达到地球最深处的人造物；迪拜的哈利法塔是当时世界第一高的人工构造物，高828米。人类探测器多次下潜到最深的马里亚纳海沟超过万米深度，一批又一批的探险家征服最高峰珠穆朗玛峰。
“真是一个充满野心的物种。对人类来说，极限存在的意义似乎就是不断挑战极限。”
参考来源：https://www.newscientist.com/article/mg24532760-800-human-evolution-the-astounding-new-story-of-the-origin-of-our-species/https://www.wired.com/story/what-would-it-take-to-shoot-a-cannonball-into-orbit/http://www.spacechina.com/n25/n148/n272/n4785/c103466/content.htmlhttps://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1959-012Ahttps://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/ask-smithsonian-whats-deepest-hole-ever-dug-180954349/#:~:text=The%20Kola%20Superdeep%20Borehole%20was,found%20at%20four%20miles%20down.
插图来源：Wikicommons/University of Oklahoma封面图来源：Pixabay
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