蚂蚁和宇宙飞船比赛,蚂蚁爬到太阳与飞船飞到宇宙边际哪个更快?

这是一位网友提出的问题,觉得有趣就来凑凑热闹。

  • 我们首先了解一下什么是宏观,什么是微观。

严格说起来,人们把肉眼能看得见的事物当做宏观事物,肉眼看不见的事物叫做微观事物。

太阳系和宇宙说起来都是宏观事物,但在广袤宇宙面前,太阳系就啥都不是了,我们完全可以把它当做一个微观事物。

原子算微观事物吧?如果太阳系是一个原子,宇宙就是一个直径约为4.65米的大球。原子有多大?直径约10^-10m,也就是百亿分之一米;太阳系有多大?如果按照太阳引力影响范围的奥尔特云计算,半径约1光年;宇宙有多大?可观测宇宙半径465亿光年。

宇宙直径比太阳系大465亿倍,一个原子直径的465亿倍,就是一个4.65米直径的球。

这样说,只不过为了说明宇宙怎么弄都还是一个宏观事物,别以为4.65米直径的球很小,但与原子相比可大了,要知道,在一个针尖上就可以摆放100亿个原子。

而地球到太阳的距离就更小了,只是这个原子半径的310亿分之一,是这个4.65米直径的宇宙球的多少分之一,自己算吧。

  • 现在我们来说说蚂蚁的赛跑速度和散步速度。

这种竞赛当然比乌龟和兔子赛跑的故事还要惊世骇俗,差距太大。因为乌龟如果不打瞌睡的话,比蚂蚁跑得还是快多了;而兔子与飞船的速度来比更是云里雾里的差距了。

蚂蚁的速度有多快呢?有研究认为,蚂蚁觅食时在食物引诱下,爬行的平均速度约0.027m/s,而在逃生时,爬行速度可达0.0343m/s。我们把这两个速度当做蚂蚁的小跑和快跑速度吧。

蚂蚁爬到太阳去,当然不能一直跑,这样会累死的。因此我们可以让它们一边观光一般散着步去。蚂蚁的散步速度大概在0.01m/s,这种速度爬到太阳需要多久呢?我们来算一下。

计算式为:f=D/v

这里,f表示所需时间,单位s;D为日地距离,单位m;v为蚂蚁爬行速度,单位m/s。

日地距离为约1.5亿千米,D=150000000000m;蚂蚁爬行速度为v=0.01m。

代入数据计算得:

150000000000/0.01=15000000000000s

一个儒略年为365.25天,为31557600秒,这样得:15000000000000/31557600≈475321a(年)

  • 现在我们来看看人类目前的宇宙飞船速度。

载人飞船最远只到过月球,因为月球还在地球引力圈内,因此飞到月球的飞船不需要达到地球脱离速度。脱离速度为11.2km/s,飞到月球的飞船速度大约为11km/s左右吧。

现在我们飞得最远的无人探测器是NASA于1977年发射的旅行者1号,飞了40多年,现在已经飞出了220多亿千米,目前还在柯伊伯带,正在向太阳系外飞去,飞行速度为17km/s。

按这种速度飞出1光年半径的太阳系引力范围,还需要17600多年。

目前人类发射的无人探测器速度最快的是帕克号太阳探测器。这是NASA于2018年发射的人类首艘恒星探测器,现在正在围绕着太阳运行,在日冕层冒着高温近距离抚摸太阳这只老虎的屁股,速度达到每秒100多千米。

到了2024年,帕克号将到达太阳最近轨道,距离太阳表面只有600万千米,不及水星轨道的9分之一。届时速度将达到200km/s,冒着1400度高温穿梭在太阳大气层。完成任务能量耗尽后,帕克会在2025年冲向太阳,以葬身火海的壮举结束自己7年太阳探索生涯,随之而化为太阳金焰的还有存有113.7万人类姓名的内存卡,这些名字是NASA向全世界公开征集,自愿报名者,其中不乏有中国宇宙航天爱好者。

  • 现在我们来算算宇宙飞船飞到宇宙边际需要多久。

简单计算公式依然可以沿用蚂蚁爬太阳公式,为:F=D'/v'

这里F表示飞到宇宙边际的时间,单位a(年);D'为可观测宇宙半径,单位ly(光年);v'为宇宙飞船速度。

现在载人飞船还没有突破第二宇宙速度,需要载人登陆火星才能够达到,为了快些飞到宇宙边际,我们采用现在比较快的无人飞船速度。这种速度有17km/s和200km/s两个选选项,我们选快的,每秒200千米。

代入公式F=46500000000/0.000667≈69715142428785a

根据计算,一款帕克探测器最高速度的太空飞船,要飞到465亿光年的可观测宇宙边际,需要约70万亿年时间;如果按照旅行者1号的速度,则需要约820万亿年。

  • 这个时间是一只蚂蚁爬到太阳时间约1.5亿倍到17亿倍。

实际上,在爱因斯坦广义相对论引力场理论中,宇宙是禁闭在一个无限曲率的场中,因此不管是光线还是任何速度的物质,都只能在曲率中航行,都无法到达其边际。就像人在地球上走路,即便你感觉是在走直线,也只能一直围着地球兜圈子,不但永远走不出地球,也永远看不到边际。

这就是宇宙有界无边说法的内涵。这些问题我在过去许多文章中多有阐述,这里就不占用篇幅了。

回答计算蚂蚁和飞船速度距离这种问题,只是为了让大家轻松一下,同时和大家一起了解一下宇宙之大和我们视界之小的概念,游戏而已,请勿当真。

谢谢阅读,欢迎讨论。

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