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為什麼第四宇宙速度很少被人提及?第一第二第三宇宙速度卻經常說

自從發明航天器以來,就越來越重視航天速度了。1948年達到第一宇宙速度,1955年達到第二宇宙速度,1969年達到了第三宇宙速度,第一、第二、第三宇宙速度已成為人類文明發展的里程碑。

而所謂的第四宇宙速度卻有點“食之無味棄之可惜”,為什麼這麼說?不妨先了解下幾個宇宙速度的基本定義再來解答。

第一宇宙速度:環繞速度。

第一宇宙速度又稱:航天器最小發射速度、航天器最大執行速度、環繞速度,是指以地面為參照物達到7。9千米每秒的執行速度。簡單來說,當你在地球上,以這個速度扔出一個物體之後,這個物體就可以一直圍繞著地球做勻速圓周運動,而不會落向大地。

第一宇宙速度對於我們最主要的運用,就是人造衛星了。人造衛星的出現改變了現代人的生活,但實際上環繞地球的衛星,會比這個速度小一點。

因為,按照力學理論計算出的 7.9 公里/秒,只能保證衛星沿著地球表面執行。實際上,地球表面存在稠密的大氣層,衛星不可能貼近地球表面作圓周運動,必需在 150 公里以上,才能繞地球作圓周運動。隨著高度的增加,地球對衛星的引力會減小,因此在此高度下的環繞速度約為 7.8 千米/秒。

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人造衛星

第二宇宙速度:地球逃逸速度。

當以地面為參照物,發射物體的速度達到11。2千米每秒,即第一宇宙速度的 √2 倍,這個物體就能沿一條拋物線軌道逃離地球引力的束縛,飛向宇宙。

第二宇宙速度的本質其實是一物體的動能克服該物體的重力勢能時,該物體所需達到的最小速度。達到了這個速度才能實現太空探索,大大小小的探測器才能造訪我們太陽系的鄰居們。

值得注意的是,月球並未擺脫地球引力的範圍,所以從地面發射探月航天器,是不需要達到第二宇宙速度的,實際上其初始速度不小於10.848千米每秒即可。

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嫦娥四號

第三宇宙速度:太陽系逃逸速度。

在充分利用地球公轉速度的情況下,即飛行器入軌速度與地球公轉速度方向一致時,以地面為參照物,飛行器的速度達到16。7千米每秒時,就能沿雙曲線軌道飛離地球,並能脫離太陽的引力,飛出太陽系。而這個速度是以離太陽表面無窮遠處勢能為0而求出的最小值。

目前人類唯一運用了第三宇宙速度的探測器就是“旅行者1號”(Voyager 1)。上個世紀70年代,NASA將代表人類最高成就的太空科技產品的旅行者1號發射了出去,它的任務就是飛出太陽系。在經過木星土星引力彈弓加速後,現在它已駛入了外太陽系,截止到2018年11月它仍然正常,不出意外它會成為第一個飛出的人造物體。

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旅行者1號

被科學界公認的大三宇宙速度之間的關係

當發射速度V與宇宙速度分別有如下關係時,被髮射物體的情況將有所不同:

第一種情況:

當v<第一宇宙速度時,被髮射物體最終將落回地面;

第二種情況:

當第一宇宙速度≤v<第二宇宙速度時,被髮射物體將繞地球公轉,成為地球的“人造衛星”;

第三種情況:

當第二宇宙速度≤v<第三宇宙速度時,被髮射物體將脫離地球束縛,成為繞太陽公轉的“人造行星”;

第四種情況:

當v≥第三宇宙速度時,被髮射物體將飛出太陽系。

第四宇宙速度:銀河系逃逸速度。

以地球為參照物,目前估算的發射速度貌似是120千米每秒時,才有可能擺脫銀河系的引力束縛,飛離銀河系。但其實這個速度是一個不太靠譜的結論,它並沒有被科學界確認,它更多出現在科幻或科普讀物當中。

為什麼說第四宇宙速度不太靠譜?

首先,

逃逸速度取決於要逃逸目標的質量。對於銀河系,整體質量到底有多重?我們目前沒有一個確定的答案。再加上銀河系暗物質的發現,讓銀河系的質量之謎更加撲朔迷離。

其次,

目前的第四宇宙速度的數值,僅僅是依據牛頓的萬有引力給出的一個估算。但對於像銀河系這樣大的一個宇宙尺度,以萬有引力公式計算,會產生相當大的誤差。

最後,

以人類目前掌握的化石燃料,要把推進器的速度提升到預估的第四宇宙速度,是永遠不可能的,除非人類再掀起一場能源革命。

第四宇宙速度更像人們根據經典認知,給出的一個推論。他和大多數前沿物理理論一樣,無法驗證,但為什麼這個速度,反而容易被大家所接受,而前沿物理理論的一些概念卻無法被大家接受呢?原因僅僅是因為,這種速度推論的邏輯,符合人們的日常經驗認知。

另外,第四宇宙速度,以及第二第三宇宙速度,只是一個逃逸的最低速度。他們最大的作用在於告訴我們,要逃離我們的所在地所需要的最低能量是多少?然而,面對銀河系這樣超大的距離,即便人類以後有能力飛離銀河系,也絕對不會以第四宇宙速度來飛離銀河系,因為這樣需要花費的時間太長了。人類至少要掌握了近光速或者超光速移動的方法,才有可能飛離銀河系。

思考性總結

在人類的科技實力,在沒有突破性進展的前提下,討論第四宇宙速度,是完全沒有意義的。

所有的宇宙速度也都是以地球為出發點的,而地球就像星海中的一個洲渚,我們知曉的一切資訊與知識也只是從這裡獲得,但一旦要邁出銀河系,就如同要掛帆出洋,而目前我們才艱難地邁出了宇宙之洋的一小步,剛打溼了腳踝而已。

宇宙實在是太大了,當我們要真正遠航時一定無法用我們熟悉的地球常規距離單位、時間單位以及速度單位來表述。面對宇宙那巨大寒冷的真空荒涼,星星都顯得極其稀有,極其可愛。出航是必然的,但一定不是以第四宇宙速度。