如何通俗地解释下北大韦东奕们的工作到底是在做什么?

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如何通俗地解释下北大韦东奕们的工作到底是在做什么?

我们以航天事业玉兔登月这个例子来说明“韦神”们到底一天到晚在忙啥?以及和我们的生活到底有多大的联系?

大家看玉兔登月直播时,现场记者介绍一个关键步骤,“地月变轨”,就是飞船从绕地球轨道飞行改变为绕月球轨道飞行。这个步骤成功了后飞船就开始对月球环绕飞行了,月兔就可以围着兔子窝转圈圈了。这个工作难度很大,因为飞船在地月间飞行时它的速度是7.9公里/秒,也就是说每一秒钟的时间,要在天上飞行7.9公里,这比我们人类一个小时5公里行走路程还要多1.9公里。这个速度是非常快的,凡是地球上达到这个速度的物体,基本就具备了飞出地球的能力了。为了说明问题,我们把复杂问题形象化,如果飞船变轨早一秒,飞船绕月半径就少了7.9公里,晚一秒,绕月半径就大了7.9公里。半径小了,飞船就得提高速度,否则就像个炮弹一样掉在月球上了,半径大了,就得靠燃烧更多的燃料来慢慢调整轨道到设计轨道位置,这就意味着玉兔上天的时候要携带更多的燃料去调整轨道,而这部分燃料是完全可以通过精确的变轨技术的实现而所不需要携带的,如果不携带这多余的燃料,月兔就可以多带点有用的东西上月球了。

问题来了,要得出这个具体且重要的变轨时间点,从宏观的角度来讲需要哪些人类发展的伟大文明成果?第一,人类祖先对数字的发明;第二牛顿和莱布尼茨所创立的微积分;第三牛顿的万有引力;第四爱因斯坦的相对论。也就是说,当人类的祖先在地球各地参差不齐的开始结绳记事的时候,压根没想到自己的行为会影响到我们现在的登月工作,爱因斯坦的相对论刚提出来的时候,据说全球只有三个半人理解了,但是今天它确为轨道调整的精确度提供了理论上的支持,牛顿的微积分就是不规则量的加法,这对于现实世界更贴近了一些,万有引力也是相对论时空观的一部分但是在地球这个尺度还是比较好用的。所以这些伟大的文明综合起来,给我们的登月提供了可行的道路。

“韦神”们具体在忙什么呢?其实就是在理论上寻找解决问题的方法及突破,其本质和结绳记事、相对论是一样的,至于其效果只有通过时间的检验才可做出结论。如果他们的“突破”是一种发明(世界上本来没有,但这个突破可以解释和解决现实存在的问题,例如电灯泡)那就要通过其他人来再次证明其正确性,如果他们的“突破”是一种发现(世界上本来就存在的事实和规律,被他们揭示出来了,例如万有引力)则需要通过现实中的试验来确定其正确性,当被证明正确后,这种突破就被暂时固定下来了直到有新的更优秀的理论替代它为止,这就是人类科学发展的过程。至于这些突破什么时候发挥它的作用,有可能是一个月,更常规的是几十年甚至上百年后才有用的。例如爱因斯坦的狭义相对论发表于1905年,广义相对论发表于1915年,第一次验证是英国海军于1919年发生日食时验正的(其实他们本意是为了验错),第二次是NASA于1976年于离地球1万公里的太空中验证的,而今天,由于导航卫星根据相对论的理论校正了时间的准确度,从而我们的手机定位精度可以到达米级了,这使高速行驶的汽车实时导航成为了现实。

人类的祖先还是海洋里生物时,没有结绳记事,也活得挺好的,而且还登了陆,成为了陆生动物,当远古的猴子在树上摘果子吃时,其实哪里懂什么相对论,即使今天我们中绝大多数人也搞不清楚它的本质和含义,但是并不妨碍由于使用了相对论的理论修改天上导航卫星的时间值后,让我们的手机定位就可以精确到米了。所以科技的作用没有也是可以的,但是一旦有了,对生活的影响可能是巨大的。

所以感谢这些优秀的付出,让我们生活得更方便了。另:高中阶段所学习的物理知识最少是100年前就创立了,而数学就更久了,大学的微积分则是于公元前就开始探索了,后于1768年牛顿《自然哲学的数学原理》发表代表该理论确立。虽然生活在21世纪,每天通过智能手机浏览着这个地球、并可以和千里之外的朋友视频聊个天,但我们绝大多数人头脑里的物理知识基本是100年前的,而数学知识则是254年前的。所以问题来了,到底谁才是真正地站在了时代的前沿?

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