开普勒三定律、潮汐力、轨道方程：张朝阳跨年演讲解析太阳系的内在秩序

“第一年的时候，我们讲了广义相对论，而去年是量子力学的一天，今天我们要看看生存的太阳系。”

12月31日晚10点，搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、物理学博士张朝阳如期开启他的第三场跨年演讲。这场以“我们所居住的太阳系”为主题的思想盛宴，通过搜狐视频关注流全程直播，在探索太阳系奥秘的思辨中，与现场观众与网友一起一同迎接2026年的第一缕晨光。

太阳系以什么秩序在运转？月球为何始终以同一面朝向地球？人类如何抵达火星？......演讲现场，张朝阳用数理公式一步步演算着这些宇宙谜题。他认为，当下AI和航天技术的发展，正推动人类逐步迈向multi-planetary civilization（多行星文明），“了解太阳系的运行规律，正是理解人类文明来处与未来方向的关键。”

行星的运动自有秩序 牛顿定律勾勒太阳系大格局

阳光带来生机，金星分割昏晨，诗人歌颂月的圆缺，人类展望奔向火星的未来。而对于更遥远的木星土星，还有天王星与海王星，我们似乎知之甚少，但它们一直在外围守护着人类的家园。甫一开场，张朝阳指出本次主题的意义所在，“太阳系不是遥远的不可知，而是又近又远的家园，我们需要了解与我们息息相关的太阳系。”

这场演讲又被张朝阳戏称为对太阳系的大“考古”，而牛顿的运动定律和引力定律无疑是发掘这段历史的“洛阳铲”。他介绍，正是人类对太阳系各大天体的探索带来了物理学：第谷一生积累的观测数据启发了开普勒写下三大定律，而站在两位巨人肩膀上的牛顿，最终揭示了更具普遍性的真理。

张朝阳进一步解释，站在今人的角度，我们不再需要受困于海量的经验归纳，而是能以牛顿定律为第一性原理，完成对开普勒定律的逻辑重构。演讲现场，他通过求解微分方程，用更普适的圆锥曲线方程，精确表述了开普勒第一定律中的椭圆轨道；更是借助简单的微积分运算，证明第二、第三定律实为角动量守恒的必然结果。

黑板上，张朝阳在开普勒第三定律的表达式下方重重画了一条线。“轨道半长轴的立方正比于公转周期的平方。”这一总结简洁却深刻，勾勒出整个太阳系严整的大格局，道出八大行星的运动秩序所在。

他当即邀请在场观众拿出计算器，一同验证这一定律的有效性。木星、火星、水星……幻灯片上闪过一个个熟悉的天体名称，大家输入各自的轨道参数，计算器屏幕上跳出对应的公转周期——结果完全吻合！“现在我们终于搞懂太阳系是怎么回事了”，张朝阳笑着说，“原本觉得行星那么神秘，其实转来转去都逃不出简单规律的约束。”

看不见的宇宙之手 潮汐力主宰着卫星的归宿

数亿年前，一天的日升月落仅需约20小时；如今难得一见的“超级月亮”曾是常见现象。为什么现在仰望月亮只能看到它的正面？为何理应冷却的木卫一竟然是“暖宝宝”？这种种现象的背后，都源于一种神奇的力量——潮汐力。
潮汐力是怎么产生的呢？张朝阳通过对引力势的球谐展开，阐明了卫星在公转时会受到一种特殊力量的拉扯，这就是潮汐力的起源。张朝阳还提到，在极端情况下，潮汐力甚至能毁灭星球。当小质量星球过分靠近大质量星体时，巨大的拉扯力足以将其撕成碎片，这也是土星环的一个可能成因。

更有趣的是，在地月系统中，由于地球自转偏快导致潮汐形变稍有延迟，地球隆起的方向并不完全对准月球，这就导致月球持续受到一个力矩作用，其轨道半径以每年3.8厘米的速度扩张。反之，月球受地球潮汐作用产生的形变滞后，也会通过力矩作用减缓自身自转速度，最终形成与公转同步的潮汐锁定状态，这也是人类始终只能观测到月球一面的原因。
顺着潮汐锁定的论述，张朝阳将视线转向了木卫一。令人惊奇的是，这颗理应冷却的星球表面竟火山频发，背后的推手正是潮汐力。张朝阳利用老式血压计的充气气囊来进行类比：当反复按压气囊时，部分能量会转化为热量使其升温。木卫一正像这个气囊，由于它沿椭圆轨道公转，其潮汐形变随距离远近呈周期性强弱变化。这种持续的挤压释放出巨大热能，使其成为在寒冷深空中自发热的“暖宝宝”。

飞出地球摇篮 在引力场中开辟宇宙航线

我们的太阳系有太多奥秘等待探索，人类不可能永远停留在地球摇篮里。在演讲下半场，张朝阳带观众们领略了飞出地球的三个站点。
第一站是拉格朗日点。所谓拉格朗日点，就是是由质量悬殊的两个天体组成的公转系统中的5个受力平衡点。这些地方具有独特的力学稳定性，因而科学家们在这些地方部署了大量探测器，例如韦布望远镜就部署在了日地系统L2点。太阳与木星系统中的L4和L5点也具有重要作用，它们可以作为“引力陷阱”捕获试图闯入太阳系内部的小行星，从而保护位于内层的地球。

飞出地球的第二站，是地球的“孪生兄弟”——火星。火星有许多与地球相像的地方，它的一天只比地球多了40分钟，公转轨道也离地球很近。为了将复杂的多体引力问题简化成单体引力问题，张朝阳将整个航线分成了三步：地球引力主导的逃逸阶段、太阳引力主导的霍曼转轨阶段、火星引力主导的捕获阶段。其中航线的大部分时间花费在第二步的霍曼转轨，耗时8个半月，虽然漫长，但是最省燃料的航行方案。

（图注：张朝阳讲解从地球去往火星的航线，上方黑板演算了霍曼转轨，下方黑板演算了逃离地球的轨道。）

在计算完第二步骤后，他回过头来讲解起了第一步该如何启航。逃离地球的轨道是一条双曲线，通过将轨道高度设为无穷远处，张朝阳求解出逃逸轨道的渐近线与坐标极轴的夹角θ=30°。这一演算生动地展示了牛顿运动定律的强大，仅仅几个公式，就在黑板上规划出上亿公里的航线，为人类指明前往新家园的方向。

飞出地球的第三站，是太阳系外的浩瀚星空。1977年，美国发射了旅行者1号和旅行者2号，向着太阳系外的深空迈出了人类探索的第一步。它们在发射过程中都利用到了引力弹弓效应实现增速。“引力弹弓其实就是变换参照系”，张朝阳进一步讲解道，“想象一个乒乓球朝向乒乓球拍飞去，在拍子的参照系看来，入射速度和出射速度是大小相等的，但对于地面系来说，乒乓球获得了来自球拍的一部分速度。把拍子的速度叠加到球上，就是引力弹弓。”

借助引力弹弓效应，旅行者一号和旅行者二号先后离开了日球层，飞向了两个截然不同的方向。1990年，旅行者1号在距离地球60亿公里处回头拍下了一张照片。照片中呈现了我们居住的太阳系，其中地球仅占了不到一个像素，看起来只是一颗漂浮在浩瀚太空中的蓝色尘埃，但这就是我们目前唯一的家园。

科幻猜想要建立在扎实的科学基础上 火星移民仍是遥远未来

随着新年钟声的敲响，张朝阳向现场观众和直播间的网友送去新年寄语，“希望大家在新的一年有钱赚、吃好、运动好、健康快乐，学习很多新的知识，做些有价值有成就感的事情。”并为大家如何更好地树立新年flag给出建议——要给定义自己的人生和价值观，要坚定地做一个通达理智而不纵容自己情绪的人。

尽管整场演讲进入了尾声，但现场观众的互动热情依然不减。一位来自同济大学的学生，回忆自己在前年也参与了张朝阳的物理跨年演讲，而这一次，他就科幻电影《星际穿越》中用虫洞飞出太阳系的情节与张朝阳展开了讨论。对此，张朝阳直言，不要把科幻当科学，还是要先对严肃的科学演算有一定了解，只有在抓住物理思想后，才可以大胆地做数值估算，譬如费米当年用小纸片估算原子弹爆炸当量。“无论是猜算还是科幻，都得建立在足够扎实的科学基础上。”

相当多的观众也就人类未来的太空探索事业展开了提问。有人担忧地球能否支撑住人类文明的资源消耗速度，提出是否要加速对外太空的开发？张朝阳回答道，火星移民还是一个很遥远的未来，在缺少磁场缺少大气的环境下，目前只能寄希望于机器人去火星上采集资源。此外，现场还讨论了用彗星做引力弹弓加速、用太阳光压持续推进航天器等航行方案。

科普应基于精确的数学计算 在自媒体时代讲物理有仪式感

在跨年演讲后的媒体采访中，张朝阳坦言，“我们所居住的太阳系”这一主题是最近两周才确定的。一方面，“星际访客”3I/ATLAS彗星造访太阳系的热点事件引发学界和公众的热议，在前不久的日常物理课直播上，他就此讲解了双曲线轨道；另一方面，天文是一个非常好的科普方向，大众会比较感兴趣。

张朝阳认为，学习物理有着多重价值，既能帮助理解全球变暖、极光等宏观现象，又能解释为何吃火锅粉丝特别辣、使劲儿关门却会被弹开等生活细节，更重要的是能满足人类的好奇心。他主张科普应基于精确的数学计算，而非追求“语出惊人”的噱头，因而四年来，物理课始终坚持“严肃推导”的核心特色，此前偶尔的角色扮演（如扮演奥本海默、爱因斯坦）仅是小花絮。

他还特别指出，作为公司管理者，物理课直播是为了搜狐视频关注流的兴盛发展，也带动了很多知识播主入驻。“做关注流，我必须身先士卒做一个播主，才能体会这个产品，才能知道怎么做，未来朝哪个方向发展。”

四年间，《张朝阳的物理课》已开展了270场直播课，累计在线时长突破26,000分钟。这种将传统讲课与新媒体结合的形式也正在发挥效应，张朝阳在采访中介绍，当前豆包、千问上搜索出来的很多物理内容都是出自物理课，所产生的视频和文字内容收录到人类知识库里，对世界是很有意义的。他感慨道，在视频自媒体时代讲物理有一种仪式感，在跨年之际与大家一起增加知识，也是一种仪式感。
正如张朝阳在演讲开场时所言，“当明天早晨，第一缕阳光到达地球的时候，我们经过今天晚上思维的挑战，是不是会感到更加的有意义、更加的有仪式感？因为我们不只知道了太阳系每天发生的事情，我们还知其所以然。”