同学们，大家好！欢迎参加科技馆宇宙探索栏目！

今天我们的话题是广阔的宇宙。中国是世界上天文学起步最早的国家之一，最早的天象观察可以追溯到好几千年前。在河南安阳出土的殷墟甲骨文中，对天文现象就已经有很丰富的记载了。

但古人并不清楚我们头顶的星空是怎样一个图景。从古老中国的盖天说到浑天说，从西方的地心说到哥白尼的日心说，逐步演化到到现代的宇宙大爆炸理论模型，我们的宇宙已经是直径900亿光年的庞然大物。纵使宇宙再广阔，可我们生活的太阳系以及人类赖以生存的地球不过是沧海一粟而已。

同学们，谈到太阳系我们都知道，按照离太阳的距离从近到远，它们依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，八大行星都在自转和公转。

那么问题来了，那八大行星为什么会绕太阳旋转呢？你可能会脱口而出—牛顿的万有引力啊！那什么万有引力呢？它是如何约束行星运动的呢？先不要着急回答我，请看展项！

这件展品叫“万有引力”。

我看这位同学们一脸疑惑，这不就是个大漏斗吗？和万有引力有什么关系？

请这位同学向右转动手柄，看看有什么现象？我们会发现钢球提升后自动释放。球从台面边缘沿圆的切线轨道滚出后，请大家仔细观察，小球划过的轨道是什么形状？

是圆形吗？这位细心的同学看出它是以椭圆轨道运转的。还发现了什么呢？提醒大家一下，观看小球运行的速度有什么变化？

哎！这位同学有了新发现，小球处于漏斗边缘时运行平缓，而接近中央圆心时，运动速度变快了，最终落入中央的圆孔。同学们，回想一下牛顿的万有引力公式，影响万有引力的因素是什么？

对了！是两个物体之间的距离和质量，万有引力的大小与距离的平方成反比，和两个物体质量的乘积成正比。所以距离圆心远的时候运行速度慢，较为平缓；而距离近时，运行速度快。最终小球会因为摩擦力耗尽动能落入圆孔。

引力的本质让牛顿感到困扰，引力究竟是如何在真空中起作用的？引力的传播速度又有多快？直到生命的尽头，牛顿一直在说，“也许有一天，我们会发现产生引力效果的机制”。200多年后，爱因斯坦提出了广义相对论，精准的描述物质间引力相互作用。

广义相对论所描述的宇宙时空正如“万有引力”展品展示的一样，时空是真实的物质，它是有形状的，展品的凹槽正是被太阳的质量压弯的时空，小球相当于地球，它靠近在凹槽时，并不会直接调入空洞，而是围绕中心不停的旋转，引力正是时空弯曲产生的几何效应。

或许你会问，地球为什么能一直保持在自己的轨道，而不是像“万有引力”里的小球一样最终飞向太阳？ 

我们先来分析一下，根据牛顿的万有引力定律，质量越大的东西产生的引力就越大，太阳系中质量最大的非太阳莫属，巨大的质量决定了它无可匹敌的引力场。八大行星都以太阳为中心公转，我们地球正以29.78KM/S速度围绕太阳旋转，运转过程中产生了离心现象。那什么是离心现象？

我们再来看这件展项——离心力。请大家先观看它的构造。我们发现，它有两根透明玻璃管，呈V形，分别有两个小球，红色的实心球，金色的空心球，管内部充满硅油。

那这位同学你操作一下吧！我们看到他转动手柄，驱动两支管子绕共同的轴心旋转。当达到一定转速后，观看发生了什么？

我们发现原本沉在底部的实心球会上升到顶部，而原本浮在顶部的空心球反而会下降到底部。物体质量越大离心现象越明显，会向远离转轴位置移动，由于实心球、小球所排开的硅油、空心球三者质量依次递减，因此出现旋转后实心球上浮、空心球下沉的现象，这便是离心现象。

要使物体进行圆周运动必须为其提供足够的向心力，太阳提供了八大行星的向心力；由于八大行星质量和与太阳距离的不同，公转的速度也各不相同，最近水星的公转速度达到了惊人的47.89KM/S，而最远海王星公转速度只有5.43KM/S，高速公转会产生的离心力与向心力相等，又因为宇宙中没有阻力，所以行星可以不停地转下去。每颗天体都在如此精密的平衡之下，太阳系内所有的天体才会有条不紊地进行公转活动。牛顿正是以离心现象为桥梁发现了万有引力。

无论物体所受的重力，还是天体的运动轨迹，都需要遵循万有引力定律。万有引力是宇宙天体运行的基本规律，但同时也是阻碍人类迈向太空的“绊脚石”。因为要想飞得更高就需要克服万有引力的影响。火箭实现了人类的梦想，人类摆脱了地心引力开始进入近地轨道，但外太空的探索却没有这么简单。

1977年美国发射了的两颗行星探测器“旅行者一号”和“旅行者二号”，再经历了40多年的太空旅行中，两颗探测器拜访了木土天海四大行星及其卫星，并分别于2012年和2018年到达星际空间。我们都知道太空航行中，达到第一宇宙7.9公里每秒，可以环绕地球做圆周运动；达到第二宇宙速度11.2公里每秒可以地球的引力进入地外探索。

但在真正的地外探索中，火箭的燃料是有限的，无法持续长距离供给，所如何获得足够的动能，并节省燃料这是实现外太空探索的需要解决的首要问题。1961年，苏联科学家提出了引力助推即引力跳板原理。

这件展品名叫探测外太空之路，它正是利用了小球模拟了旅行者号如何利用引力跳板原理实现太空旅行的。那什么引力跳板呢？“引力跳板”利用了各个行星由于自身的特征对探测器的吸引力不同，探测器借助行星引力改变轨道，与此同时又获得更大的速度，从而可以在没有任何动力消耗的情况下对探测器加速，最终缩短星际航行的时间，进而实现探测器最佳飞行路线的选择。

我可以举一个例子，如果有一辆大卡车以60英里/小时的速度笔直的向你驶来；你拿一个网球，向卡车正面扔过去；然后，观察网球向你弹回来的速度，远比你将它们扔向卡车的速度快。因为网球与卡车碰撞获得了客车的部分动能，飞行器也是以此原理获得了行星部分动能从而加速的。太空探测器可以连续对好几个行星通过这种方式，可以获得巨大的动能，实现速度飞跃式的提升。在科幻电影《流浪地球》中，为了获取更大的速度以脱离太阳系，人类选择借助木星的引力作为跳板。

近几年，中国的现代航天也是发展迅速，自1970年中国第一颗人造卫星“东方红1 号”成功升空，到2021年5月，空间站天和核心舱完成在轨测试验证，50年间，我国在航天道路上一步一个脚印稳步发展随着科技的进步，人类对太空探索会越来越深入。很多人也会思考，地球之外是不是还会有其他生命，是什么样子的，智慧文明有多高。随着对宇宙的了解，也许很多规律科学都行不通，正是因为我们的不了解，所以我们对宇宙才更有兴趣去探索发现。

同学们加油吧，广阔的太空在等着你们去探索！