牛頓大炮

人類從古到今都有征服星辰大海的理想，古代中國就有萬戶，他就嘗試著用風箏和火藥來實現他的夢想，最後失敗了，還因此而獻出了自己的生命，他也被稱為：世界航天第一人。

萬戶雖然失敗了，但是人類征服星辰大海的夢想從來沒有放棄。各國都有登月、登火星的計劃。不過，說到征服星辰大海，我們不得不提到一個人，這個人就是牛頓。正是因為有了他，才讓一切變得有可能。那牛頓是如何思考的呢？

在牛頓的著作《自然哲學的數學原理》當中，牛頓就提了一個著名的思想實驗：牛頓大炮。

我們知道，地球是球形的。因此，地面是會向下彎曲的。當然，由於地球足夠大，所以，我們感受不到這種向下彎曲的趨勢。但如果是在大尺度上看，就能明顯感覺到。

如果有一個理想的大炮，能打出各種速度的炮彈。由於地球存在引力，因此，炮彈如果原地釋放，就會豎直落到地面上。這其實就是日常生活中的自由落體運動。

如果我們讓大炮把炮彈以一定的速度打出去，按照我們日常的經驗，其實是會做拋物線運動。

這裡其實假設了大地是平，但就像上文所說的那樣，大地並不是平的，而是向下彎曲的。只是因為地球足夠大，我們在小尺度上就把大地看成是平的。

我們會發現，在豎直方向上，地面和炮彈都有向下的趨勢。如果我們能夠打出一個炮彈，這個時候炮彈的下落趨勢恰好和地面的下落趨勢是一樣的，那這個時候，炮彈就可以繞著地球轉了。

通過計算，我們可以知道，這個速度大概是7.9km/s，這也被我們稱為第一宇宙速度。如果我們繼續給炮彈加速，這個時候炮彈就會繞著地球轉一個更大的圈。

當速度加大到足夠大時，炮彈就可以擺脫引力，飛向星辰大海。通過理論計算，我們會發現這個速度是11.2km/s，這也被稱為第二宇宙速度，或者逃逸速度。

正是有了牛頓的萬有引力定律，我們可以發射衛星，甚至把人送到月球，未來或許還可以把人送到火星上。

第四宇宙速度

上文說到的主要是第一宇宙速度，和第二宇宙速度。其中，第二宇宙速度是擺脫地球所需要的最低速度。那擺脫太陽引力需要多大的速度呢？

這個通過理論計算，我們可以得到，從地球上發射飛行器要擺脫太陽引力所需要的最小速度是16.7km/s。這裡要多說一句，在不同的天體上，宇宙速度也是不同。

著名的旅行者號的任務就是朝著遠離太陽的方向飛行，如今已經達到了太陽系的邊緣，但距離擺脫太陽引力的範圍還有很長的路要走。

那問題來了，如果我們要擺脫銀河系的引力呢？

我們知道，太陽系是在銀河系當中，而且相當於是在銀河系的郊區。太陽繞著銀心運動，周期大概是2.5億年，太陽系距離銀心大概有2.3光年的距離，

如果我們要從地球上發射 飛行器飛離銀河系，其實也對應著一個速度。這個速度被稱為第四宇宙速度。要求出這個速度並不容易，這需要我們知道銀河系的準確大小以及質量。

人類還沒有能力估算出精確值，只能粗略的估算。如果估算，我們就會發現，想要擺脫銀河系的引力，從太陽系出發至少需要525km/s。這個速度比目前人類最快的飛行器還要快2個數量級。從這角度上看，人類似乎是被關在銀河系的牢籠之中一樣。

以此類推，我們就會發現還應該存在第五宇宙速度，第六宇宙速度……

銀河系是在本星系群當中的，因此，第五宇宙速度就是從太陽系出發要擺脫本星系群所需要的最小速度。就像上文說到，我們還沒有能夠準確估算出銀河系的質量和大小，就更不可能準確估算出本星系群的這兩個參數，也就無法知道第五宇宙速度的大小。

客觀地說，其實不僅是第五宇宙速度，連第四宇宙速度對於人類而言，都沒有什麼意義，畢竟人類到目前為止都沒有能夠擺脫太陽系引力的束縛。所以，從第四宇宙速度開始，就很少被人提及。