为什么说达到第四宇宙速度就可以逃出银河系的“牢笼”？

牛顿大炮

人类从古到今都有征服星辰大海的理想，古代中国就有万户，他就尝试着用风筝和火药来实现他的梦想，最后失败了，还因此而献出了自己的生命，他也被称为：世界航天第一人。

万户虽然失败了，但是人类征服星辰大海的梦想从来没有放弃。各国都有登月、登火星的计划。不过，说到征服星辰大海，我们不得不提到一个人，这个人就是牛顿。正是因为有了他，才让一切变得有可能。那牛顿是如何思考的呢？

在牛顿的著作《自然哲学的数学原理》当中，牛顿就提了一个著名的思想实验：牛顿大炮。

我们知道，地球是球形的。因此，地面是会向下弯曲的。当然，由于地球足够大，所以，我们感受不到这种向下弯曲的趋势。但如果是在大尺度上看，就能明显感觉到。

如果有一个理想的大炮，能打出各种速度的炮弹。由于地球存在引力，因此，炮弹如果原地释放，就会竖直落到地面上。这其实就是日常生活中的自由落体运动。

如果我们让大炮把炮弹以一定的速度打出去，按照我们日常的经验，其实是会做抛物线运动。

这里其实假设了大地是平，但就像上文所说的那样，大地并不是平的，而是向下弯曲的。只是因为地球足够大，我们在小尺度上就把大地看成是平的。

我们会发现，在竖直方向上，地面和炮弹都有向下的趋势。如果我们能够打出一个炮弹，这个时候炮弹的下落趋势恰好和地面的下落趋势是一样的，那这个时候，炮弹就可以绕着地球转了。

通过计算，我们可以知道，这个速度大概是7.9km/s，这也被我们称为第一宇宙速度。如果我们继续给炮弹加速，这个时候炮弹就会绕着地球转一个更大的圈。

当速度加大到足够大时，炮弹就可以摆脱引力，飞向星辰大海。通过理论计算，我们会发现这个速度是11.2km/s，这也被称为第二宇宙速度，或者逃逸速度。

正是有了牛顿的万有引力定律，我们可以发射卫星，甚至把人送到月球，未来或许还可以把人送到火星上。

第四宇宙速度

上文说到的主要是第一宇宙速度，和第二宇宙速度。其中，第二宇宙速度是摆脱地球所需要的最低速度。那摆脱太阳引力需要多大的速度呢？

这个通过理论计算，我们可以得到，从地球上发射飞行器要摆脱太阳引力所需要的最小速度是16.7km/s。这里要多说一句，在不同的天体上，宇宙速度也是不同。

著名的旅行者号的任务就是朝着远离太阳的方向飞行，如今已经达到了太阳系的边缘，但距离摆脱太阳引力的范围还有很长的路要走。

那问题来了，如果我们要摆脱银河系的引力呢？

我们知道，太阳系是在银河系当中，而且相当于是在银河系的郊区。太阳绕着银心运动，周期大概是2.5亿年，太阳系距离银心大概有2.3光年的距离，

如果我们要从地球上发射 飞行器飞离银河系，其实也对应着一个速度。这个速度被称为第四宇宙速度。要求出这个速度并不容易，这需要我们知道银河系的准确大小以及质量。

人类还没有能力估算出精确值，只能粗略的估算。如果估算，我们就会发现，想要摆脱银河系的引力，从太阳系出发至少需要525km/s。这个速度比目前人类最快的飞行器还要快2个数量级。从这角度上看，人类似乎是被关在银河系的牢笼之中一样。

以此类推，我们就会发现还应该存在第五宇宙速度，第六宇宙速度……

银河系是在本星系群当中的，因此，第五宇宙速度就是从太阳系出发要摆脱本星系群所需要的最小速度。就像上文说到，我们还没有能够准确估算出银河系的质量和大小，就更不可能准确估算出本星系群的这两个参数，也就无法知道第五宇宙速度的大小。

客观地说，其实不仅是第五宇宙速度，连第四宇宙速度对于人类而言，都没有什么意义，毕竟人类到目前为止都没有能够摆脱太阳系引力的束缚。所以，从第四宇宙速度开始，就很少被人提及。