第一、第二、第三宇宙速度都经常提,为什么很少有人说第四宇宙速度?

bdqnwqk2年前百科16

因为不好用,“食之无味弃之可惜”来形容第四宇宙速度正合适,为什么这么说?先了解一下几个宇宙速度的基本定义再解答。

第一、第二、第三宇宙速度都经常提,为什么很少有人说第四宇宙速度?

第一宇宙速度:环绕速度。第一宇宙速度又称:航天器最小发射速度、航天器最大运行速度、环绕速度,是指以地面为参照物达到7.9千米每秒的运行速度。简单来说,当你在地球上,以这个速度扔出一个物体之后,这个物体就可以一直围绕着地球做匀速圆周运动,而不会落向大地。

第一、第二、第三宇宙速度都经常提,为什么很少有人说第四宇宙速度?

第一宇宙速度对于我们最主要的运用,就是人造卫星了。人造卫星的出现改变了现代人的生活,但实际上环绕地球的卫星,会比这个速度小一点。

第一、第二、第三宇宙速度都经常提,为什么很少有人说第四宇宙速度?

因为,按照力学理论计算出的 7.9 公里/秒,只能保证卫星沿着地球表面运行。实际上,地球表面存在稠密的大气层,卫星不可能贴近地球表面作圆周运动,必需在 150 公里以上,才能绕地球作圆周运动。随着高度的增加,地球对卫星的引力会减小,因此在此高度下的环绕速度约为 7.8 千米/秒。

第一、第二、第三宇宙速度都经常提,为什么很少有人说第四宇宙速度?

第二宇宙速度:地球逃逸速度。当以地面为参照物,发射物体的速度达到11.2千米每秒,即第一宇宙速度的 √2 倍,这个物体就能沿一条抛物线轨道逃离地球引力的束缚,飞向宇宙。

第二宇宙速度的本质其实是一物体的动能克服该物体的重力势能时,该物体所需达到的最小速度。达到了这个速度才能实现太空探索,大大小小的探测器才能造访我们太阳系的邻居们。

值得注意的是,月球并未摆脱地球引力的范围,所以从地面发射探月航天器,是不需要达到第二宇宙速度的,实际上其初始速度不小于10.848千米每秒即可。

嫦娥四号任务月球车效果图

第三宇宙速度:太阳系逃逸速度。在充分利用地球公转速度的情况下,即飞行器入轨速度与地球公转速度方向一致时,以地面为参照物,飞行器的速度达到16.7千米每秒时,就能沿双曲线轨道飞离地球,并能脱离太阳的引力,飞出太阳系。而这个速度是以离太阳表面无穷远处势能为0而求出的最小值。

目前人类唯一运用了第三宇宙速度的探测器就是“旅行者1号”(Voyager 1)。上个世纪70年代,NASA将代表人类最高成就的太空科技产品的旅行者1号发射了出去,它的任务就是飞出太阳系。在经过木星土星引力弹弓加速后,现在它已驶入了外太阳系,截止到2018年11月它仍然正常,不出意外它会成为第一个飞出的人造物体。

旅行者1号、2号的运动轨迹

被科学界公认的大三宇宙速度之间的关系当发射速度V与宇宙速度分别有如下关系时,被发射物体的情况将有所不同:

第一种情况:当v<第一宇宙速度时,被发射物体最终将落回地面;

第二种情况:当第一宇宙速度≤v<第二宇宙速度时,被发射物体将绕地球公转,成为地球的“人造卫星”;

第三种情况:当第二宇宙速度≤v<第三宇宙速度时,被发射物体将脱离地球束缚,成为绕太阳公转的“人造行星”

第四种情况:当v≥第三宇宙速度时,被发射物体将飞出太阳系。

第四宇宙速度:银河系逃逸速度。以地球为参照物,目前网上估算的是发射速度貌似达到120千米每秒时,才有可能摆脱银河系的引力束缚,飞离银河系。

但其实这个速度是一个不太靠谱的结论,它并没有被科学界确认,它更多出现在科幻或科普读物中。

为什么说第四宇宙速度不太靠谱?首先,逃逸速度取决与要逃逸目标的质量。对于银河系,整体质量到底有多重?我们目前没有一个确定的答案。再加上银河系暗物质的发现,让银河系的质量之谜更加扑朔迷离。

其次,目前的第四宇宙速度的数值,仅仅是依据牛顿的万有引力给出的一个估算。但对于像银河系这样大的一个宇宙尺度,以万有引力公式计算,会产生相当大的误差。

最后,以人类目前掌握的化石燃料,要把推进器的速度提升到预估的第四宇宙速度,是永远不可能的,除非人类再掀起一场能源革命。

第四宇宙速度更像人们根据经典认知,给出的一个推论。他和大多数前沿物理理论一样,无法验证,但为什么这个速度,反而容易被大家所接受,而前沿物理理论的一些概念却无法被大家接受呢?原因仅仅是因为,这种速度推论的逻辑,符合人们的日常经验认知。

另外,第四宇宙速度,以及第二第三宇宙速度,都是一个逃逸的最低速度。他们最大的作用在于告诉我们,要逃离我们的所在地所需要的最低能量是多少?

然而,对于银河系这样超大的距离,即便人类以后有能力飞离银河系,也绝对不会以第四宇宙速度来飞离银河系,因为这样需要花费的时间太长了。人类至少要掌握了近光速或者超光速移动的方法,才有可能飞离银河系。

总结在人类的科技实力,没有突破性进展的前提下,讨论第四宇宙速度,是完全没有意义的。套用奥康姆剃刀原理所说的,如无必须,勿增实体。

欢迎关注@想法捕手,探知科学,畅游宇宙汪洋。