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发表于 2020-3-1 21:40:45
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看到这个问题，想到我之前在Quora上读到的一个非常精彩的答案，作者是NASA现役工程师Robert Frost，他回答了一个在知乎上也很常见到的【如何向小朋友解释XXX】类型的问题——
How would you explain to an 8th grader, who knows just the basics of physics, the working and the purpose of NASA's Voyager 1 and Voyager 2?
如何向一个只懂一些基础物理的八年级学生解释旅行者一号及二号的工作原理以及他们的工作目的和内容？
该答案的知识体系展开循序渐进，科普的过程完整而清晰，讲述的态度也非常细心，而答主作为一个相关的工作者，其扎实的专业素养也为这篇答案提供了独到的视角和深刻的见解。
阅读该答案的过程中，在引起自己多方面的思考之余，其诚恳的写作态度也令我感动不已。
今天恰好看到这个问题，我决定把这篇精彩的答案翻译出来，不足错漏之处，也希望得到专业人士的指正，好，我们开始了。
（以下图片都可以点击看大图）
在太阳系中，行星们都以各自不同的速度围绕着太阳旋转，他们公转的周期不同，运行的圆弧大小也不同，所以他们都沿着自己独特的轨道运行着，如下图所示。
在上世纪70年代中期，有一个百年一遇的机会出现了，太阳系里的几大行星正好运行到一个绝妙的相对位置，它们同处于一条完美的弧线上，这条弧线可以供飞行器顺利通行，而行驶在这条路线上，飞行器可以很好地和这些行星们来个近距离的接触，下面这张图里的黄色曲线，就是这条漂亮的弧线。
现在，你可能会想，这条路线看起来不是很有效率啊，为什么要走曲线呢，走直线不是更方便吗？
这个想法很不错，不过你要知道，飞行器是从地球上发射的，而我们的地球也正在围绕着太阳公转，这就意味着，从地球上发射的所有物体，也都只能以一种旋转的方式出发。
如果这事不太好理解的话，我们去一个更小的尺度上观察好了。
首先我们想象着眼前有一个扁平的圆盘，它是静止不动的，这时候，有一只蚂蚁从它的圆心往外爬。
然后再让这只盘子旋转起来，再来看看此时蚂蚁行走的路线。
如果这只蚂蚁一直是在圆盘上的话，那么既然圆盘有了角速度，蚂蚁自然也会有，所以蚂蚁此时运动的轨迹（在一个圆盘之外的人看来）就是一条曲线。
有能力制作一艘宇宙飞行器，并且让它去完成很多重要的任务，这对人类来说是个很了不起的成就，而如我们上文提到的这样完美的运行曲线，每隔179年才出现一次，显然，任何人都没理由错过这次绝妙的机会。
带着这种心态，我们决定造两艘完全相同的飞行器，这样即使第一艘出了什么问题，我们也可以用第二艘来保证计划的顺利开展。他们被命名为旅行者1号和旅行者2号，这俩兄弟的长相是这样的。
每一艘旅行者的身体里都装备着大量的科学仪器，用来搜集他们遇到的那些物质的信息以及记录身边的环境。他们带了相机专门用来给行星们拍摄美美的私房写真，也携带了磁力计，用来测量磁场的强度和方向，进以探测宇宙射线和等离子体。
看到他们那些又白又高的天线了么，我们等一下会聊到它们，不过，现在我们先回答第一阶段可能会出现的问题：
问题一.让旅行者们保持运动的推力是什么，他们会在宇宙里持续漂多久呢？
想象下你在操场上跟同学打棒球，你把球扔给身边的一个人，过了一会你又把球扔给远处的一个同学，没有过多思考，你自然地用上了更大的力气，这是为什么呢？
你可能会想到，之所以需要更大的力气，是因为一旦你扔出了这个球，你施加给它的力就消失了。
一个力（Force）可以为一个拥有质量（Mass）的物体加速（Accelerate），你的胳膊施加给了球这样一个静止的物体以力，所以它被加速然后离开你的手臂，这时加速终止。
然后，这个球会被外力所影响，它的速度一直降到零，最后停了下来。
这就是牛顿第一运动定律——静止的物体将一直保持静止，直到他受到不平衡的力作用而运动起来；运动着的物体会一直保持匀速直线运动，直到他受到不平衡的力而改变状态。
在旅行者们被发射的初期，他们围绕着地球行走，直到合适的机会来临，他们就会开启引擎，小小地点火一下，这使得他们的速度提升，进入了预定的黄色轨道，向太空飞去，之后就不再需要这样的助力了。
牛顿告诉我们，在旅行者的旅途中，除非他们受到了不平衡的外力作用，否则他们会一直沿着既定的方向，匀速地运动下去。在地球上，很多东西一旦被我们放开，他们会非常快地减速，这就是受到了外力的作用，例如地面的摩擦力和空气的阻力。
在旅行者离开地球进入太空之后，他不再受到空气的阻力，也不会再有什么实在的摩擦力。不过仍然有一个外力作用，可以令他失去平衡状态，那就是万有引力。
太阳的质量非常大，也因此拥有着强大的引力，我们常常用这样一个场景来想象引力，就像你在一张很大的帆布或者弹簧床上放置一个很重的金属球，这个金属球会把表面压出一个窝，让他附近的物体全部向他掉下来。
这块帆布被重球压出了一个曲面，越靠近这个球，曲面越陡，想要爬出来就会越难，而越远离它的地方，曲面越平缓，就更有可能爬出去。
所以，我们的目标，就是给飞行器一个足够大的初始速度，这样即使他正受着太阳的巨大引力的减速效应，最后的速度也不会降为零，因为随着他逐渐远离太阳，这个引力也会越来越小。
这个速度，就是我们经常说的逃离速度。
这个逃离速度的计算方法，就是让他的动能至少等于重力势能，下面的这个式子在数学上表达了这个意思
方程的左边就是物体的动能，动能即是一个物体因其运动而具有的能量，他的计算有两个参数，质量（mass）和物体的速度（velocity）。
方程的右边是重力势能，重力势能就是一个物体对于另一个物体在发生相对位移时所产生的能量，在这里，也就是旅行者在远离太阳时克服引力时所需要的能量。
通过一些简单的代换，我们得到这个式子用来解出旅行者的逃离速度——
任何一个飞行器只要达到了这个初始速度，都可以在不借助引擎推进的帮助下离开太阳系。
我们可以发现，当r变大的时候，这个速度是变小的，所以在离太阳越远的地方，需要的逃离速度就越小，下面我们通过一张图来对比具体位置的逃离速度和旅行者的真实速度。
（绿线为不同位置的逃离速度，黄线为旅行者行至该处的实际速度）
在离开地球时，因为处在和地球同样的位置，他当时的速度跟地球的速度差不多，大概在36 km/s，但是离那个位置的逃离速度（大概42 km/s）还是有一定差距。
此时他离太阳比较近，太阳的引力正强烈地降低着旅行者的速度，所以当他走到木星附近时，他的速度降到了9km/s，这远远低于此处的逃离速度，但这时，机智的旅行者借助木星的引力，将自己的速度加速到了大约25km/s。
这个过程在他经过每一个行星的时候都会发生一遍，一直到他离开海王星的时候，此时的速度虽然又开始了缓慢的降低，但此时他的实际速度已经远远超过了此处的逃离速度，他成功地逃离了太阳系。
所以，旅行者将会永远地逃离太阳系，做一个太空中的游子，再也不回来，一直到他被另一颗恒星所吸走。
好了，下面进入到了我们的第二个问题——
问题二.NASA如何接收旅行者发来的信息呢，这些信息要多长时间才会传到地球上来呢？
NASA一直维持运行着自己的深空网项目（DSN，全称： Deep Space Network），他们建造了三处巨型的深空通信设施，分别位于加州、西班牙以及澳大利亚，这三个地方分别相距120度，这样他们正好可以覆盖整个地球。
这些巨型天线的接收器是碗状的抛物线曲面，这样可以保证无论是从什么地方发来的信号都可以被反射到曲面的中心，这样信号会被集中，接收的效果也会更好。
这些巨型天线的高超设计保证他们可以接收到非常弱的信号，理论上即使旅行者再往外走一个世纪，他的信号强度仍然可以被接收到，但事实上我们估计旅行者的供能在2025年就会被消耗殆尽了。
旅行者兄弟上的设备都采用核动力电池供能，在他们刚离开地球时，功能的功率在450瓦特左右，而现在则已经掉到了250瓦以下。
当旅行者通过他又白又高的天线中指向地球的那一根发送信号的时候，这个信号的初始功率大概在19瓦，但传送的过程中会一点点地衰减。在以光速传输了16个小时后，终于到达了地球。
这个信号碰到了深空网其中的一个接收器，然后被接收到，此时它的信号功率只剩下了10的负16次方瓦特。
不过好在旅行者送出的信号频率非常高（达到了8.4 GHz），这个频率的信号地球上基本不会使用，所以它不会被混在手机、电视或GPS的信号中而难以发现。
我们来大概计算下旅行者的信号需要多久才能到达地球上：
旅行者1号目前离地球19,330,000,000 km。
旅行者2号目前离地球15,799,000,000 km。
信号的传输速度（光速）是每秒300,000 km。
旅行者1号的信号到达地球所需时间：
19,330,000,000/300,000 = 64433 秒 = 17.9小时。
旅行者2号的信号到达地球所需时间：
15,799,000,000/300,000 = 52663 秒= 14.63 小时。
我觉得我的解释到此结束就好，下面给你们展示下旅行者都给我们送回了什么：
他告诉我们——
木卫二厚厚的冰面下面，有一片浩瀚的海洋；
土卫六上正刮起旷日持久的甲烷风暴；
木卫一正不停地向木星外环输送硫和氧气，使得它的磁场一天天膨胀；
太阳风的速度也会锐减，当它们碰到了太阳系的边界。
地球和月亮的合照
木星大气层里的流体力学，旅行者发回的照片显示上面有不少巨大的飓风
木卫三
木卫一上的一次火山喷发，这里的火山活动比地球剧烈100倍
令人惊喜的土星环的细节图，上面可以看到shepherd moons 和 kinked F-ring。
海王星上的一片云和一个小黑点，我们监测到此处的风速达到了1600 km/hr (1000 mph)。
海卫一上的冰冻喷泉
旅行者1号沿着黄道平面35度角行进，朝着太阳系顶点，向蛇夫座进发。
旅行者2号沿着黄道平面48度角行进，朝着射手座和孔雀座前进。
旅行者会在银河系中孤独地漂流几十亿年，而到那个时候，我们的太阳系也早已死亡，一颗新的恒星将会重生。而旅行者仍将孤独地前行着，在他身上的，是人类文明曾经存在过的证据。
那些证据不仅仅是记录着我们文化的声音和图像，还有一些独特的图表，记录着他开始航行的起点——我们的地球。
而在那张光盘上记录着的，还有一段来自总统的信息—— 这艘“旅行者号”宇宙飞船是由美利坚合众国建造的。我们是一个具有2亿4千万人类生命的大集体，我们与居住在地球上的40亿人类共同生存着。我们人类仍以国家划分，但是这些国家正在迅速成为一个全球化的文明世界。
我们向外星致文。此文可能在未来的十亿年中长存，届时我们的文明世界将会发生深刻的变革，地球的面貌也会发生巨大的改变。在银河系中的2亿颗星球中，一些（也许是很多的）星球是有生命居住的天体，也是具有星际公正的文明世界。如果一个这样的文明世界截获了“旅行者号”，而且能够理解这些内容，我仅为此撰写如下的致文：
这是来自一个遥远的小型世界的礼物，它是我们的声音、我们的科学、我们的意念、我们的音乐、我们的思考和我们的情感的象征。我们正努力延缓时光，以期能与你们的时光共融。我们希望有朝一日在解决了所面临的困难之后，能置身银河文明世界的共同体之中。这份信息能把我们的希望、我们的决心、我们的亲善传遍广袤而又令人敬畏的宇宙。
美利坚合众国总统吉米·卡特
1977年6月16日于白宫 |
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