在電影《火星救援》中，NASA計(jì)算了馬克·沃特尼的食物儲(chǔ)備和他種土豆的供給情況，最初決定先發(fā)射一艘食物補(bǔ)給飛船過(guò)去，等下一次執(zhí)行火星地面任務(wù)，再用阿瑞斯4號(hào)接沃特尼回來(lái)。萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到運(yùn)載補(bǔ)給船的火箭剛升空就爆炸了，NASA員工們內(nèi)心一定有一萬(wàn)頭草泥馬奔騰而過(guò)。不過(guò)這未嘗不是一件好事，畢竟在地球這端出事，總好過(guò)補(bǔ)給飛船花了八個(gè)多月時(shí)間降落火星時(shí)再發(fā)生事故的好，不然沃特尼真的將成為“迄今為止唯一死在火星上的人”了。
這個(gè)時(shí)候，NASA的黑人小哥靈機(jī)一動(dòng)，想出一套拯救沃特尼的絕（he）妙（he）的方案。為了驗(yàn)證這個(gè)方案，小哥還用超級(jí)計(jì)算機(jī)演算了一遍。這一段還真是槽點(diǎn)滿滿的，且不說(shuō)未經(jīng)申請(qǐng)個(gè)人電腦就能接入超級(jí)計(jì)算機(jī)太扯淡，NASA小哥用的引力彈弓方法也只是一種飛行器加速常用的方法，而且還要用讓5個(gè)本來(lái)正常執(zhí)行任務(wù)的宇航員冒著極大的風(fēng)險(xiǎn)去拯救一個(gè)基本會(huì)要狗帶的宇航員。真不知道該說(shuō)這是美國(guó)的英雄主義特色，還是《火星救援》作者安迪·威爾是個(gè)白蓮花呢。
引力彈弓到底是什么鬼？
為了讓觀眾弄懂引力彈弓的方案到底是怎么回事兒（因?yàn)镹ASA工作人員才不會(huì)這么小白?。谌诵「邕€用了一個(gè)形象的比喻來(lái)說(shuō)明他的救援方案。
引力彈弓并不神奇，我們可以把“赫爾墨斯”號(hào)飛船想象成一個(gè)乒乓球，當(dāng)它飛向一面靜止的球拍時(shí)，反彈速度是相同的（不考慮重力、空氣阻力、非彈性碰撞，其實(shí)是速率，那些理工宅想要刁難小編的情況）。但如果這個(gè)球拍向著來(lái)球方向移動(dòng)，那這個(gè)球與拍相撞后反彈速度就會(huì)變快。在這里，這面移動(dòng)的球拍就是繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的地球，飛船從地球公轉(zhuǎn)中竊取了少量動(dòng)能，從而獲得了更快的速度。跟球拍在球運(yùn)動(dòng)軌跡外側(cè)施力碰撞反彈不同的是，“赫爾墨斯”號(hào)的“反彈”是受到地球引力的牽引，所以是在繞過(guò)地球時(shí)，受到來(lái)自運(yùn)動(dòng)軌跡內(nèi)側(cè)的力。
這樣的應(yīng)用十分常見(jiàn)，我們向地球以外的天體發(fā)射飛行器時(shí)，常會(huì)應(yīng)用到其他行星或天體做引力彈弓，以此來(lái)節(jié)省燃料、時(shí)間和計(jì)劃成本。比較經(jīng)典的可能是美國(guó)的“卡西尼”號(hào)了，它于1997年10月15日從地球發(fā)射前往目的地——土星，但只帶了很少的燃料，它在1998年4月26日利用了金星的彈射，在1999年7月24日利用了金星的第二次彈射，又于1999年8月18日利用了地球的彈射，后于2000年12月30日利用了木星的彈射，最終于2004年7月1日抵到達(dá)土星。
“卡西尼”號(hào)從地球到土星的旅程
像“卡西尼”號(hào)這樣，利用引力彈弓算是非常溫柔的，因?yàn)檫@些行星引力都太弱，無(wú)法提供強(qiáng)烈的偏轉(zhuǎn)。而在電影《星際穿越》中，庫(kù)珀使用引力彈弓的劇情就更極端了。他的目的是使“巡邏者”號(hào)飛船到達(dá)米勒星球，這就需要降速c/3，他采用的方案是利用一顆中子星進(jìn)行引力彈弓減速。
還是用乒乓球的例子來(lái)說(shuō)，如果要減速，就需要球拍跟球移動(dòng)方向相同，這樣乒乓球反彈后的速度就變慢了。“巡邏者”號(hào)飛船的航行軌跡的引力會(huì)拉拽中子星，降低飛船的速度，這個(gè)過(guò)程叫做“動(dòng)力學(xué)摩擦”。
用引力彈弓的方法加速
用引力彈弓的方法減速
想要區(qū)分引力彈弓是加速還是減速，主要看飛行器經(jīng)過(guò)天體時(shí)，是在天體運(yùn)動(dòng)方向的前方還是后方，如果是后方就是加速，前方則是減速。
電影《星際穿越》的唯一科學(xué)指導(dǎo)基普·索恩通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，中子星的引力并不能滿足減速要求，要達(dá)到這樣的減速大概需要質(zhì)量為卡岡都亞千分之一的黑洞，他還用自己的方程和Mathematica模擬出了它們的圖像。下面這一系列圖片，就是庫(kù)珀將會(huì)在引力彈弓旅途中看到的景象。
以卡岡都亞為背景，用中等黑洞質(zhì)量作引力彈弓時(shí)會(huì)看到的場(chǎng)景
如何巧用引力彈弓，把飛船加速至光速？
事實(shí)上，引力彈弓還有更多妙用。在基普·索恩為同名電影寫(xiě)的《星際穿越》一書(shū)中提到，可以利用雙黑洞系統(tǒng)制造一個(gè)飛船加速器，從而以極少的燃料將飛船加速至接近光速。
這個(gè)雙黑洞系統(tǒng)有不少限制條件，需要兩個(gè)黑洞足夠大，不會(huì)出現(xiàn)潮汐力毀掉飛船的情況，而且二者處在極其橢圓的軌道上，使得人們可以駕駛著化學(xué)或核燃料飛船接近雙黑洞系統(tǒng)中的一個(gè)，開(kāi)始所謂的變焦-旋轉(zhuǎn)軌道。
飛船應(yīng)首先向黑洞（變焦）降落，繞黑洞旋轉(zhuǎn)幾圈，之后等待黑洞運(yùn)行到幾乎正對(duì)著它的“同伴”時(shí)，（變焦）飛離黑洞，與伴黑洞交匯，滑入伴黑洞的旋轉(zhuǎn)軌道。如果這兩個(gè)黑洞還是彼此相向而行的話，那么經(jīng)過(guò)短暫的旋轉(zhuǎn)后，飛船還可以（變焦）升軌回到第一個(gè)黑洞去。
如果兩個(gè)黑洞已經(jīng)不再相向而行，那么飛船就要在旋轉(zhuǎn)軌道上待久一些；你必須把自己駐留在第二個(gè)黑洞的軌道上，直到兩個(gè)黑洞下一次碰頭時(shí)，再回到第一個(gè)黑洞。用這種辦法——總是等雙黑洞彼此接近的時(shí)候去躍遷，你就能讓飛船就能加速得越來(lái)越快。只要雙黑洞的軌道足夠橢圓，你想多接近光速就能多接近。
這個(gè)方案的非凡之處是，你只需極少的火箭燃料去控制在每個(gè)黑洞邊上該待的時(shí)間。關(guān)鍵在于，飛船應(yīng)進(jìn)入黑洞的臨界軌道，以及在那里對(duì)回旋進(jìn)行控制。一旦你達(dá)到了想要的接近光速的速度，就可以發(fā)動(dòng)火箭離開(kāi)臨界軌道，飛向宇宙深處的目標(biāo)星系。
變焦-回旋軌道能把飛船的速度提升到接近光速
發(fā)動(dòng)火箭離開(kāi)臨界軌道，飛向遙遠(yuǎn)的星系
這趟旅行路途遙遠(yuǎn)，差不多有100億光年的距離。但當(dāng)你移動(dòng)的速度接近光速的時(shí)候，你的時(shí)間流逝比起地球?qū)⒋鬄闇p緩。如果你足夠接近光速，就能按照自己的設(shè)想在幾年甚至更短的時(shí)間里到達(dá)目的地——按照你測(cè)量的時(shí)間。可能的話，你還可以在目的地附近找一個(gè)用來(lái)減速的高度橢圓軌道雙黑洞系統(tǒng)。
雙黑洞系統(tǒng)內(nèi)的減速?gòu)椆?yīng)
這種類(lèi)型的引力彈弓效應(yīng)能夠提供一種方法，以跨越星系際尺度的距離，然后把文明散播出去，主要的障礙（也許是難以逾越的）是如何找到或者制造所需要的雙黑洞系統(tǒng)。如果你處于一種足夠發(fā)達(dá)的文明之中，那么發(fā)射端的系統(tǒng)可能還不是問(wèn)題，但減速系統(tǒng)就另當(dāng)別論了。
你也可以用同樣的方法回家，但你的歸來(lái)可能不會(huì)非常愉快。因?yàn)闀r(shí)間膨脹效應(yīng)，地球已經(jīng)過(guò)去了十幾億年，而你的年齡只長(zhǎng)了幾歲。想象一下，你會(huì)面對(duì)什么樣的景象？
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