速度 第一、二、三宇宙速度经常被提起,为什么很少提起第四宇宙速度?

第四宇宙速度
其实关于宇宙速度的概念并不难理解,而且我们比较熟悉的是宇宙第一速度、宇宙第二速度、宇宙第三速度。
至于第四宇宙速度,很少被人提及,它的意思是从地球出发,摆脱银河系的引力,冲出银河系所需要最低速度,不过,这个宇宙速度很鸡肋,因为它的数值还无法确定,甚至可以说这个数值对我们而言并没有多大意义。那具体是咋回事呢?
宇宙速度的咋来?
我们需要从第一宇宙速度说起,传统的说法就是第一宇宙速度是环绕速度,不过,我个人觉得这个说法并不容易理解,我们可以从牛顿思考万有引力定律的方法来理解。牛顿在自己的著作《自然哲学的数学原理》当中,描述了他思考万有引力定律的方法,我们现在也管这个叫做牛顿大炮。


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那具体是咋回事呢?假设我们拥有一台理想的大炮以及一颗理想的炮弹。自由落体如果我把炮弹举高到一定的高度,然后放手,那这个炮弹就会自由落体,掉到地上。


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抛物线如果用大炮把炮弹打出去,让炮弹得到一定的初速度,这时候就是一条抛物线。

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第一宇宙速度那如果这个时候,我们让炮弹打出来的速度达到7.9km/s,那炮弹就可以绕着地球转圈了。为什么会这样呢?我们可以思考一下刚才的抛物线运动,在炮弹运动过程中,其实地面是几乎不变的,但是炮弹由于引力作用,就会有一个朝着地面落下的趋势。


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但是,如果我们仔细思考一下,地球其实是个曲面。(地球是球状的)所以,其实地面是向下弯曲的。之前之所以会落在地上的本质原因是因为地面下落的幅度比炮弹下落的幅度小。如果炮弹下落多少距离,地面就像下落多少距离,那炮弹就永远不会落到地面上,也就是绕着地球做圆周运动了。所以,我们管几乎贴着天体表现做圆周运动的速度叫做:第一宇宙速度。而在地球上速度达到7.9km/s时,就可以做到。
第二宇宙速度但是,如果我们在第一宇宙速度的基础上不断地进行加速炮弹,炮弹可能会走一个更大的圈子,但并不一定能够摆脱地球的引力束缚,说白了就是还在地球的势力范围之内。
那什么时候才能摆脱地球的引力呢?
当速度达到一定程度时,也就是第一宇宙速度的1,41倍(实际就是根号二倍),这个时候就可以摆脱地球的引力束缚,在地球上这个速度是11.2km/s,也被我们称为第二宇宙速度。
第三宇宙速度而第三宇宙速度也好理解,就是要摆脱太阳的引力束缚,离开太阳,这个速度是多少呢?通过万有引力定律进行求解,得到的结果是16.7km/s。
(这里要注一下,第三宇宙速度指的是在地球上出发,摆脱太阳引力束缚所需要的最低速度。)


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无论是哪个宇宙速度,说白了都和引力自身是息息相关的。第四宇宙速度
对银河系的了解不够而第四宇宙速度,是从地球出发,要摆脱银河系的最低速度。这意味着它自身会和银河系的质量有关系。但这时候问题就来了,银河系边界在哪,我们是不能确切知道的,下面这张我们常看到的银河系的图,实际上是观测+模型+理论计算得到的。我们会发现,关于银河系的半径一直在变化,银河系的恒星数也一直在调整,这些变化和调整就是基于更先进的观测技术得到的。


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而更本质的原因是,我们没能力到银河系的上方给银河系拍照。这些指标定不下来,实际上银河系的质量就很难确定下来。但这还不是最难做到的,毕竟上文讲的都是我们可以观测到的银河系的情况,但银河系当中还存在着我们看不到的东西,那就是暗物质,而且暗物质的含量还不少,就宇宙总体来看,暗物质的比例比已知物质的5倍还要多。


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也就是说,我们甚至都无法知道银河系当中暗物质的提供的引力到底有多少。基于许多的不确定性,我们很难能够得到从地球出发,脱离银河系引力所需的最低速度到底是多少,因此这个第四宇宙速度的大小也就确定不下来了,变得很鸡肋。没有实际的指导意义当然,让第四宇宙速度变得更加无意义的是,目前的技术根本不足以让人类脱离银河系。人类现在的探测器只能勉强摆脱太阳的引力,勉强离开太阳,人类对它们的控制力几乎为0。而太阳的尺度相对于银河系简直小到像一粒沙子。银河系像太阳这样的天体大概就有1500亿~4000亿颗,恒星系数不胜数,银河系的半径都有几万光年的尺度,也就是跑都要跑几万年,这对于人类而言简直就是天文数字,何谈摆脱银河系的引力?

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