第四宇宙速度
其實關於宇宙速度的概念並不難理解,而且我們比較熟悉的是宇宙第一速度、宇宙第二速度、宇宙第三速度。
至於第四宇宙速度,很少被人提及,它的意思是從地球出發,擺脫銀河系的引力,衝出銀河系所需要最低速度,不過,這個宇宙速度很雞肋,因為它的數值還無法確定,甚至可以說這個數值對我們而言並沒有多大意義。那具體是咋回事呢?
宇宙速度的咋來?
我們需要從第一宇宙速度說起,傳統的說法就是第一宇宙速度是環繞速度,不過,我個人覺得這個說法並不容易理解,我們可以從牛頓思考萬有引力定律的方法來理解。牛頓在自己的著作《自然哲學的數學原理》當中,描述了他思考萬有引力定律的方法,我們現在也管這個叫做牛頓大炮。
那具體是咋回事呢?假設我們擁有一臺理想的大炮以及一顆理想的炮彈。
自由落體如果我把炮彈舉高到一定的高度,然後放手,那這個炮彈就會自由落體,掉到地上。
拋物線如果用大炮把炮彈打出去,讓炮彈得到一定的初速度,這時候就是一條拋物線。
第一宇宙速度那如果這個時候,我們讓炮彈打出來的速度達到7.9km/s,那炮彈就可以繞著地球轉圈了。
為什麼會這樣呢?我們可以思考一下剛才的拋物線運動,在炮彈運動過程中,其實地面是幾乎不變的,但是炮彈由於引力作用,就會有一個朝著地面落下的趨勢。
但是,如果我們仔細思考一下,地球其實是個曲面。(地球是球狀的)所以,其實地面是向下彎曲的。之前之所以會落在地上的本質原因是因為地面下落的幅度比炮彈下落的幅度小。如果炮彈下落多少距離,地面就像下落多少距離,那炮彈就永遠不會落到地面上,也就是繞著地球做圓周運動了。
所以,我們管幾乎貼著天體表現做圓周運動的速度叫做:第一宇宙速度。而在地球上速度達到7.9km/s時,就可以做到。
第二宇宙速度但是,如果我們在第一宇宙速度的基礎上不斷地進行加速炮彈,炮彈可能會走一個更大的圈子,但並不一定能夠擺脫地球的引力束縛,說白了就是還在地球的勢力範圍之內。
那什麼時候才能擺脫地球的引力呢?
當速度達到一定程度時,也就是第一宇宙速度的1,41倍(實際就是根號二倍),這個時候就可以擺脫地球的引力束縛,在地球上這個速度是11.2km/s,也被我們稱為第二宇宙速度。
第三宇宙速度而第三宇宙速度也好理解,就是要擺脫太陽的引力束縛,離開太陽,這個速度是多少呢?通過萬有引力定律進行求解,得到的結果是16.7km/s。
(這裡要注一下,第三宇宙速度指的是在地球上出發,擺脫太陽引力束縛所需要的最低速度。)
無論是哪個宇宙速度,說白了都和引力自身是息息相關的。
第四宇宙速度
對銀河系的了解不夠而第四宇宙速度,是從地球出發,要擺脫銀河系的最低速度。這意味著它自身會和銀河系的質量有關係。但這時候問題就來了,銀河系邊界在哪,我們是不能確切知道的,下面這張我們常看到的銀河系的圖,實際上是觀測+模型+理論計算得到的。我們會發現,關於銀河系的半徑一直在變化,銀河系的恆星數也一直在調整,這些變化和調整就是基於更先進的觀測技術得到的。
而更本質的原因是,我們沒能力到銀河系的上方給銀河系拍照。這些指標定不下來,實際上銀河系的質量就很難確定下來。
但這還不是最難做到的,畢竟上文講的都是我們可以觀測到的銀河系的情況,但銀河系當中還存在著我們看不到的東西,那就是暗物質,而且暗物質的含量還不少,就宇宙總體來看,暗物質的比例比已知物質的5倍還要多。
也就是說,我們甚至都無法知道銀河系當中暗物質的提供的引力到底有多少。基於許多的不確定性,我們很難能夠得到從地球出發,脫離銀河系引力所需的最低速度到底是多少,因此這個第四宇宙速度的大小也就確定不下來了,變得很雞肋。
沒有實際的指導意義當然,讓第四宇宙速度變得更加無意義的是,目前的技術根本不足以讓人類脫離銀河系。人類現在的探測器只能勉強擺脫太陽的引力,勉強離開太陽,人類對它們的控制力幾乎為0。而太陽的尺度相對於銀河系簡直小到像一粒沙子。銀河系像太陽這樣的天體大概就有1500億~4000億顆,恆星係數不勝數,銀河系的半徑都有幾萬光年的尺度,也就是跑都要跑幾萬年,這對於人類而言簡直就是天文數字,何談擺脫銀河系的引力?
因此,第四宇宙速度也是在實際使用中根本涉及不到的。
基於以上兩點,才會使得第四宇宙速度很少被提及。