為什么靠近太陽比逃離太陽更難？

太陽的引力無比強大，它將八大行星牢牢束縛在身邊幾十億年。按理說，要把一個物體“扔進”太陽應該輕而易舉——畢竟它有那么大的引力嘛！

圖1. 太陽與它的行星

然而，現實卻恰恰相反——從地球出發，靠近太陽比逃離太陽系還要困難得多！ 這是為什么呢？

這個反直覺的結果，源自我們腳下這顆行星的高速運動。

地球正以大約每秒約30公里的速度繞著太陽公轉。這賦予了我們地球上一切物體一個巨大的“橫向速度”——之所以說橫向，是相對日地連線來說的，該速度與日地連線近似垂直。

想象（溫馨提醒：僅YY一下而已，物理學中叫思想實驗）你在一列飛馳的高鐵上，想把手里的籃球扔向站臺上的一個垃圾桶。你會怎么扔？

如果你直直地朝垃圾桶的方向扔出去，在列車上的你看來是“直線”。但在站臺上的人看來，籃球其實在向前飛的同時，還帶著列車賦予的巨大“向前速度”。結果就是，籃球會遠遠地飛過垃圾桶。

因此，與拋籃球到站臺垃圾桶一樣，當我們從地球上瞄準太陽發射一枚火箭時，由于慣性，火箭在飛行過程中，它會一直保持這個地球公轉賦予給它的橫向速度，這會導致它最終偏離太陽的位置。

當然，你可能會想到，如果朝向太陽的發射速度很大很大的話，既然太陽的半徑也挺大，它還是可以撞上太陽的。

這聽起來似乎也不是不可能，但這樣做需要多大的代價呢？

我們來計算一下。

設地球公轉速度為 ，日地距離為 。萬有引力常數為 ，太陽的質量為 ，太陽的半徑 ，它們的數值列出如下：

以太陽為原點，日地連線為x軸，地球公轉速度方向為y軸。設火箭對準太陽發射，速度為 發 射 ，這樣一來，在日心系中，火箭的速度為

發 射

地球初始位置為

根據角動量守恒，有常量 為

又根據機械能守恒，有常量 為

發 射

將地球軌道近似為圓軌道，則（修訂：下式右邊應為乘式，即分母應移到分子上去）

故得

發 射

根據有心力運動規律，當 發 射 小于、等于和大于 時，火箭的軌跡分別為橢圓、拋物線和雙曲線。而無論什么類型的軌跡，其在近日點的距離通用公式為

代入前面的關系式得

發 射

據此可得如下三種情況：

1. 當 發 射 時，

2. 當 發 射 時，

3. 當 發 射 時，

太陽的半徑僅為 ，它遠遠小于日地距離的一半，后者的值為 。所以，第1和第2種情況都無法實現目標，只有第3種情況是有可能的。

來看看第3種情況需要多大的發射速度才能實現目標。設剛好能讓發射物抵達太陽的邊緣，也就是近日點距離 剛好是太陽的半徑，則

發 射

得最小發射速度竟然高達6393公里每秒！這大約是光速的 2%！要知道人類目前的火箭技術最多能達到每秒幾十公里，離這個速度差了三個數量級。

所以，用直接“瞄準”的方式把物體射入太陽，在技術上是完全不可能的！

與掉進太陽相比，逃離太陽系反而簡單得多。

要飛離太陽系，需要讓探測器在日心參考系中的速度達到太陽的逃逸速度。在地球軌道處，太陽的逃逸速度為

逃 逸

約為每秒42.1公里，考慮到地球本身公轉的速度就達到近30公里每秒，所以我們只需再給探測器加速，使其相對于地球的速度達到約每秒12.1公里，并沿著地球公轉方向發射，就可以利用地球的速度“搭便車”飛向星際空間。該速度換算（過程略）為從地球表面發射的速度，大約為每秒16.7公里，這就是第三宇宙速度。

圖2. 飛離太陽的旅行者1號

對比起來，掉進太陽需要的發射速度（徑向）達到將近6400公里/秒，而逃離太陽系只需要16.7公里/秒。靠近比逃離難多了！

即便采用“抵消地球速度”的方法（即反向發射，使橫向速度降為零），即將地球公轉速度換算成地面發射速度，也需要每秒32公里（過程略），仍然遠大于逃離所需的速度。所以，從能量角度看，把物體扔進太陽比把它扔出太陽系困難得多。

由此可見，若如有些人所想的那樣，將地球上的垃圾（可鞥還包括壞蛋）丟到太陽這個完美熔爐中燒掉的“Good Idea”看來是很難實現了！

圖3. 熾熱的太陽表面

那么，還有別的辦法嗎？

既然直接沖向太陽行不通，科學家們設計了一條迂回曲折的路線。2018年發射的帕克太陽探測器（parker solar probe），正是通過巧妙的軌道設計，一步步逼近太陽。

視頻：帕克太陽探測器

它的策略是：先進入一條環繞太陽的大橢圓軌道，然后利用金星的引力彈弓效應，逐步降低自己的軌道能量。每當探測器從金星后方飛過時，它就會把一小部分軌道動量“交給”金星，從而降低自己相對于太陽的速度，減小角動量。每一次飛掠，探測器的軌道都會被“壓扁”一些，近日點越來越靠近太陽。

圖4. 金星引力彈弓示意圖

這個過程需要極其精準的導航和多次飛掠。帕克探測器計劃七次飛掠金星，最終在2025年到達距離太陽表面僅600萬公里的地方——這將是人類航天器離恒星最近的一次。

即便解決了軌道問題，靠近太陽本身也帶來了一系列近乎瘋狂的工程技術的極限挑戰。

在最近距離處，帕克探測器面臨的太陽光照強度是地球軌道的475倍。正對太陽的表面溫度高達1400°C，足以熔化鋼鐵。工程師們為它設計了一面僅11.5厘米厚的碳復合材料隔熱盾，表面涂有特制白色陶瓷，能反射絕大部分陽光。盾牌內部是97%體積為空氣的碳泡沫，幾乎隔絕了所有熱量，使得背后的科學儀器能保持在舒適的30°C左右。

圖5. 帕克太陽探測器

為了測量太陽風，探測器的部分傳感器不得不暴露在陽光下。它們用耐高溫的鈮、鎢、鉬等金屬制成，連絕緣體都選用了藍寶石。在高速飛越太陽時，探測器速度可達每秒200公里（每小時72萬公里），一粒微塵的撞擊就可能造成嚴重損壞，因此關鍵部件都包裹了致密防護層。

圖6. 飛行中的帕克探測器

更棘手的是，當探測器離太陽太近時，強烈的太陽輻射會淹沒它與地球的通訊信號，導致長達數周的失聯。為此，探測器被設計成高度自主，能自動調整姿態，確保隔熱盾始終對準太陽。一旦姿態失準，30秒內整個任務就會終結。

最后總結，為什么靠近太陽比逃離更難？

答案在于地球賦予的巨大角動量。我們生活在一顆以每秒30公里高速飛行的行星上，這個速度讓我們的軌道穩定，讓生命得以安然演化。但也正是這個速度，筑起了一道看似不可逾越的屏障——要想“掉進”太陽，必須先克服這個巨大的慣性。

而帕克太陽探測器的成功，證明了人類智慧可以找到繞過這道屏障的方法。它不是硬碰硬地對抗自然力，而是利用行星的引力，一步步“退讓”，最終抵達那個光明的源頭。

參考文獻

https://parkersolarprobe.jhuapl.edu/

文章轉載自“物含妙理”微信公眾號