自然选择，前进四

物理学的研究对象是物质世界及其规律。物质世界是不断变化的，为了找出其变化的规律，我们必须得先能描述出这种变化，如果能用数学方程的形式来进行定量表达那是再好不过了。定量表达的前提是测量。

对于物理学来讲，测量比定义更重要，从某种程度上讲，任何事物若想在物理学中求得一席之地，不在于它是否有清晰的定义，而在于它是否可以被测量。

物理学大观园的门旁贴着这样一幅标语：不可被测量者，不得入内。

上一期我们讲了时间与空间的各自的测量，与时空相关的物理量，除了时间空间本身外，还有速度。简单地讲，速度是描述物体运动快慢的物理量。

本期只讲物体在空间中的运动（物体在时间中的运动，包括时间旅行，我们后面再说）。

## 速度的测量

众所周知，速度 = 距离 / 时间。只要我们能测量距离、时间，二者的比值便是速度。

如果一个物体，从空间A点运动到了空间B点，AB距离1米，时间花费1秒，那么我们可以说这个物体的速度是1米每秒（1 m/s）。

让我们来进一步考察上面所举的例子，为了简化问题，我们假设A与B是处于二维平面上的两点，物体也看作是一个点（质点）

如上图所示，这个物体的运动轨迹可以是任意的，我只是画出了其中的两种可能性：一种是直线，一种是曲线，很显然，这两种情况都符合上面我们所说的从A到B，时间花费1秒，可是，我们如何使用物理语言进一步区别这两种情况呢？

这时我们就要引入两个概念：平均速度，瞬时速度。

平均速度就像统计学中的平均数一样，描述的是一种总体情况，我们最开始说的那个 1 m/s，就是一种平均速度。平均数无法描述每个个体的具体值，平均速度也无法描述物体在从A运动到B的这个过程中，其运动轨迹上某一点处（比如C）对应的速度。

瞬时速度，就是用来做这个事情的。那，瞬时速度又怎么测量/计算呢？

有人说，这很简单，C处的瞬时速度 = A到C的距离/A到C花费的时间。但是不对，这个算式计算结果是AC的平均速度，并非C处的瞬时速度。

速度 = 距离 / 时间，这个公式是本身是正确的，只不过上面的使用姿势有问题。

高中的时候，我们应该接触过一个东西——打点计时器，

在打点计时器输出的纸带上，相邻两点之间的 时间间隔 是相同的，C处的瞬时速度 = XY的距离 / XY的时间间隔。（X、Y是C之前与之后相邻的两个点）

所以，我们可以使用打点计时器的思想来测量瞬时速度：

由于A到B总共用时1秒，让我们再进一步简化问题，选取上面那条直线运动轨迹，在物体从A到B的过程中，每0.1秒便在运动轨迹上打一个点，让我们最后一次简化问题，假设C正好是这些点中的其中一个，那么C处的瞬时速度 = C之前一个点与之后一个点之间的距离 / 0.2 s。

不过，由上面的我们不断简化可知，打点计时器的思想是有很大的局限性的，它只能求解特殊点——它所打出来的点——所对应的瞬时速度，如果想求解运动轨迹上任意一点对应的瞬时速度，便无能为力了。更不用说运动轨迹是曲线、所在平面是曲面，甚至是三维空间任意两点的任意运动轨迹的场景了。

那如果我确实想知道更一般场景下物体在任意一点的瞬时速度怎么办？那就得学微积分了。

有的人说数学没用，那只是你个人没用到而已。

毕竟在日常生活中，对于我们普通人而言，想要知道车子的瞬时速度，完全没必要知道什么打点计时器、什么微积分，瞅一眼方向盘后面的速度计即可。

可如果想造出速度计，就要学习更多的知识了。

有相当一部分人的思维方式是消费者思维，而非生产者思维。

他们只知享受的快乐，不知创造的快乐。

## 加速的技术

可也有很多人在呐喊：我们的征途是星辰大海！

这样的人都有一个远航梦，他们不只想坐井观天，还想冲出地球走向宇宙。

为了实现这个梦想，就不能只做一个速度计的消费者。

不能睡在梦中，更不能装睡，要觉醒，然后行动起来。

如何让自己动起来呢？向前一步走。

如何让自己动得更快呢？随风奔跑自由是方向，追逐雷和闪电的力量。

我们人类的老祖宗最开始是在非洲的一角，靠自己的双腿，冲出非洲，走向世界。

不过，自己走得久了会累，后来就开始驯化各种动物——马、牛、驴，成为我们的坐骑。

为了征服海洋，我们便“乘风破浪会有时，直挂云帆寄沧海”。

加速背后的科学原理就是大名鼎鼎的牛顿第二定律：F = ma。

若要让一个物体产生加速度，就要给它施加一个力——通常这个力由发动机/引擎提供。

在不通常的情况下，也可以借力——“引力弹弓”加速时，这个力便不是引擎的牵引力了，而是天体自身的引力。这时天体便化作我们的坐骑，可谓是“御风而行”了。

而如何充分利用各种能源将其转化为动能，便是加速技术实现的核心所在：

自己走、骑马走，生物内能转化为动能；

帆，风能转化为动能；

烧煤的蒸汽机、烧石油的内燃机、使用各种电池的电动机，乃至可以上天的火箭发动机，化学能转化为动能；

核潜艇上的核动力引擎，原子能转化为动能。

在大气层内和大气层外，加速技术的使用还是有区别的。

因为在大气层内、水中，我们要想动起来，必须要考虑到阻力——空气阻力、摩擦力，等等。引擎动力除了用于加速外，还要有一部分用于克服阻力作功（如果你要上天的话还要克服地球引力作功。引擎本身的热损耗我们此处先忽略，下面也一样）。

如果在大气层外、太空中时，我们的运动舞台几乎就是真空，引擎在将我们加速到某个速度后，是可以停转的（这可以大大减少能源消耗），它下次启动的时候就是——调转方向，发动引擎——这是在做飞行姿态调整或者到达目的地之前的减速操作。

太空旅行中，我们的引擎也是要做一件事的：克服引力作功（克服地球引力我们就可以跟地球一样绕太阳公转；克服太阳引力我们就可以飞出太阳系）。

不过这与克服阻力不同，阻力的特点在于只要是你在运动，它会一直存在；而一旦飞出太阳系，太阳的引力对你来说就可以认为不存在了（每个恒星系之间应该是有极大的空旷场地的，比沙漠中的每个绿洲之间还要大得多）。

若要实现恒星际旅行（冲出太阳系），需要考虑以下因素：

首先要脱离地球。

这一步现在已经不是什么难题了，给火箭发动机注满液体燃料点火升空就可以。

其次要脱离太阳。

利用百年一遇的木土天海四星相近，使用“引力弹弓”原理，“旅行者一号”成为了首个距离太阳最远的人造飞行器，在人类的航空航天史上成为一座极具纪念意义的里程碑。

然而要说它冲出太阳系还为时尚早，毕竟太阳系边界在哪，目前还有争议。

引力弹弓可以加速也可以减速，在这个过程中引擎只需要进行入射角度或者出射角度的调整，其余时间完全可以停转躺平抱天体的大腿。

不过，引力弹弓也是有不足之处的：需要等待时机。

就目前的（截至发稿时间doge）人类科技水平来说，还没有实现脱离太阳系自由。

最后要考虑能源的可持续性。

毕竟恒星际旅行不是百米冲刺，它比马拉松还要马拉松，如果能源消耗完了，发动机就成了空壳，我们的飞行器也只好在茫茫宇宙中随波逐流了。

可以以地球为原点，由近及远，逐渐建立各种配套的前进基地（类似地球上的各个港口城市）。未来的太空应该遍布“加油站”、“充电站”一类的基础设施，星际采矿业将肯定是一种很有前途的产业，参考《三体》中的星环集团，胸怀宇宙又有闲置资金的资本大佬们可以提前布局。

上面所说的还不是载人航天，如果载人的话，那需要考虑的因素会更多（以下内容纯属科学幻想）：

人要吃喝拉撒睡，如果像《流浪地球》那样，带着地球去流浪，乘员越多，宇宙飞船的体积就会越大，，整个航行过程不可控因素就越多，稍微出现一点小意外可能整个计划就泡汤了。

所以，严格限制乘员数量，在此基础上研究出一套飞船生态循环系统，是更可行的发展方向。

恒星际航行时间很长很长，即使是光速飞行，仅仅横穿银河系就得十万年，更别说环游宇宙了。目前的科幻作品中主要有以下两种方案：

虫洞。从更高的维度抄近路，技术难点在于：

如何发现或者人为制造出发地与目的地之间的虫洞；

如何维持这个虫洞足够大并且足够久，以使得宇宙飞船可以通过并完成本次航行。

人体冬眠技术。无论多久，就像是睡了一觉，技术难点在于，这个技术只是一个纯粹的概念 doge。

仅仅停留在脑海中，口头上，梦想是永远不会实现的。

正如电影《当幸福来敲门》里说的那样，If you want something, go get it.

自然选择，前进四！——章北海

前进，不择手段地前进！！——托马斯 * 维德