~:~略探“宇宙速度”奧秘~:~

人類自身感覺器官存在一個有限閾值，不可僭越。五聲之變不可勝聽，五色之變不可勝觀，五味之變不可勝嘗。

眼睛只能看到可見光，其他波段的光一概視而不見（比如紅外、紫外等等）。可見光是電磁波譜中人眼可以感知的部分，可見光譜沒有精確的範圍；一般人的眼睛可以感知的電磁波的波長在400～760nm之間，但還有一些人能夠感知到波長大約在380～780nm之間的電磁波。蜂鳥和其他一些鳥類卻能看到人類看不到的光；鴿子，可以分辨出數百萬種不同的色彩，它們被認為是地球上最擅長分辨色彩的動物。鳥兒眼中的圓錐細胞比人類多得多，它們可看到至少5種光譜帶。貓和狗具有夜視能力, 但它們視力都不是很好，都是色盲，貓比狗更甚。

耳朵也只能聽到有限範圍的聲音，其他一概聽而不聞（比如超聲波、次聲波等）。人類聽覺範圍有限的。多數年輕人的聽力範圍為20～20000赫茲。這個範圍比狗和蝙蝠的聽覺範圍要小得多。人的聽覺範圍到中年以後會變得越來越小。所以上了年紀的人多數聽力會下降。海豚、蝙蝠等卻能聽到超聲波，並用於定位。

鼻子的嗅覺就不如豬狗。大自然中，能夠引起嗅覺的有氣味物質大約有20000種，其中人類嗅覺能夠分辨的氣味只有2000〜4000種。所有的氣味都可以劃分為幾個基本的類別，大自然中可以刺激人體產生嗅覺的氣味都是由薄荷味、花香、乙醚味、麝香味、樹脂味、臭味和酸味這七種基本氣味組合而成的。不管是人還是動物對不同氣味都有一定的敏感程度，這叫作嗅敏度。人類的嗅覺已經很靈敏了。如果空氣中丁硫醇的濃度能夠達到每毫升107個分子，就已經能夠刺激人體產生嗅覺了，相當於每次吸氣時僅需要8個分子達到鼻腔即可。不過，有些動物的嗅覺更靈敏，狗對醋酸、丙酸等酸性物質的嗅敏度特別高，比人類要高出幾萬倍。

星系之間動不動就是上億光年，而人類就連接近光速都是極限，現在這個宇宙你人類能奈它何？

人們所發射的人造地球衛星就是第一宇宙速度，它是指一個物體緊貼地球的表面做著圓周運動的速度。第二宇宙速度就是物體完全擺脫地球引力的束縛同時也是飛離地球的時候需要的最小初始速度。第三宇宙速度就是開篇所說脫離太陽引力束縛飛出太陽系需要的最小初始速度。

而第四與第五宇宙速度一個是要掙脫整個銀河系的引力運動速度，另一個則是飛出本星系群的最小速度。但是就目前為止，這個速度大約要每秒運動速度要達到1500~2250千米，可是這個速度以著目前人類的科學發展水平來說，應該還是需要幾百年時間才能達到。

而如果達到了第六宇宙速度，就是指從地球上發射出的物體即可完全脫離全宇宙的引力速度，但是就目前宇宙的總質量我們無法進行測量，所以還沒有一個準確的數值。但是科學家表示如果人類達到了第六宇宙速度，那麼也就可以擺脫黑洞的強大重力引力的吸引，到那個時候進入黑洞將不再是一個不受控制的事情。



速度是用來衡量物體運動的快慢的物理概念，在地球上我們熟知的速度通常以多少千米每小時來表達，比如人行走的速度大概5千米每小時，汽車速度可達100千米每小時，高鐵的速度達到300千米每小時，而飛機的速度可達1000千米每小時。

但是，如果進入宇宙空間，那麼用千米每小時來表達速度就沒有什麼意義了，太慢了，所以一般用多少千米每秒來表達速度。我們經常會聽到宇宙速度，那麼什麼是宇宙速度呢？什麼又是第六宇宙速度？

宇宙有兩個特性，一是物質的，也就是宇宙是有天體組成的；二是運動的，也就是宇宙中的天體之間相互吸引、相互繞轉從而形成天體系統。我們把可見宇宙看成一個天體系統，稱為總星系，總星系包含了銀河系和河外星系，銀河系包含了太陽系和其他恆星系統，太陽系包含了地月系和其他行星系統。那麼任何物體想要離開所在的天體系統，必須在速度上要能夠達到脫離其引力的程度，我們把這個速度稱為宇宙速度。

宇宙速度就是指當物體達到11.2千米/秒的運動速度時如何能擺脫地球引力束縛的一種速度。在擺脫地球束縛的整個過程當中，在地球引力的一些作用下它並不是直線去飛離地球的，而是按照一定的曲線進行飛行。要想脫離地球的引力後在太陽引力的作用下去繞太陽運行。若要擺脫太陽引力的束縛飛出太陽系，物體的運動速度必須達到16.7千米/秒。那時將會按雙曲線的軌跡飛離地球，而相對太陽來說它將沿拋物線直接飛離太陽，以此進行類推的話，第六宇宙速度就是相對於全宇宙來說，將全宇宙看成是一個大的星球，那麼擺脫全宇宙的速度就是所謂的第六宇宙速度。

人類探索需要需要很多很多的時間，而這種探索需要人類走向宇宙，根據宇宙速度的這種概念來說，人類探索宇宙最終的結果，就是人類可以隨時的擺脫宇宙的速度，了解宇宙之外的世界是怎麼樣的，因此人類就需要達到所謂的第六宇宙速度，或許宇宙是無邊無際的，但是這需要人類去進行探索。 

第六宇宙速度

假设在宇宙边界之外，还有别的世界…… 那么要脱离宇宙，到达另一个世界，需要的最低速度有多大？第六宇宙速度这个概念便产生了。当在地球上以这一速度发射飞船，即可脱离全宇宙的引力，由于目前尚未测准宇宙总质量，因此没有准确数值。

宇宙速度定义

宇宙速度是指物体达到11.2千米/秒的运动速度时能摆脱地球引力束缚的一种速度。在摆脱地球束缚的过程中，在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球，而是按曲线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球，而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。



第一宇宙速度

众所周知，第一宇宙速度是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度，也是最大绕行速度)，其速度为7.9km每秒。

第二宇宙速度

第二宇宙速度是指物体完全摆脱地球引力束缚，飞离地球的所需要的最小初始速度，

其速度为11.2km每秒。

第三宇宙速度

第三宇宙速度是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系所需的最小初始速度，

其速度为16.7km每秒

第四宇宙速度

所谓第四宇宙速度，指在是地球上发射的物体摆脱银河系引力束缚，飞出银河系所需最小初始速度，大约为110-120km/s，指在银河内绝大部分地方所需要的航行速度。如充分利用太阳系围绕银心的转速，最低航行速度可为82km/s。由于人类对银河系所知甚少，银河系的质量以及半径等无法取值，这个数字还需要很久才能形成公论。

第五宇宙速度

第五宇宙速度指航天器从地球发射，飞出该星系群最小速度，因为本星系群的半径、质量均未有足够精确数据，因而无法准确得知数据大小。科学家估计该星系群尺度大概有500--1000万光年，照这样算，需要1500--2250km/s的速度才能飞离，但这个速度以人类科学发展水平，应该还需要几百年甚至更久才能达到，所以只是一个幻想。

工作原理

物体达到11.18千米/秒的运动速度时能摆脱地球引力的束缚。在摆脱地球束缚过程中，在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，物体的运动速度必须达到16.63千米/秒。时将按双曲线轨迹飞离地球，而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。人类的航天活动，并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器，需要绕地球飞行，即让航天器作圆周运动。我们知道，必须始终有一个束缚航天器离心作用的力，即向心力。在这里，我们正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力，正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。经过计算，在地面上，物体的运动速度达到7.91千米/秒时，它平衡所产生的离心作用需要的力，恰好与地球对它的引力相等。这个速度被称为环绕速度。

上述使物体绕地球作圆周运动的速度被称为第一宇宙速度；摆脱地球引力束缚，飞离地球的速度叫第二宇宙速度；而摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系的速度叫第三宇宙速度。根据万有引力定律，两个物体之间引力的大小与它们的距离平方成反比。因此，物体离地球中心的距离不同，其环绕速度(第一宇宙速度)和脱离速度(第二宇宙速度)有不同的数值。

第一宇宙速度是7.91千米/秒,这样可以绕轨道飞行,第二宇宙速度是11.18千米/秒,可以冲出地球,第三宇宙速度是16.63千米/秒,这样可以飞出太阳系。

第一宇宙速度－－在地面上向远处发射炮弹，炮弹速度越高飞行距离越远，当炮弹达到7.91千米/秒时，炮弹不再落回地面（不考虑大气作用），而环绕地球作圆周飞行，这就是第一宇宙速度。随着高度的增加，地球引力下降，环绕地球飞行所需要的飞行速度也降低，所有航天器都是在距地面很高的大气层外飞行，所以它们的飞行速度都比第一宇宙速度低，地球同步卫星运动半径约为地球半径的6倍。

人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度。

第一宇宙速度（V1） 航天器沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度，也叫环绕速度。按照力学理论可以计算出V1=7.91km/秒。航天器在距离地面表面数百公里以上的高空运行，地面对航天器引力比在地面时要小，故其速度也略小于V1。要使人造地球卫星能绕地球运转,必须达到第一宇宙速度而小于第二宇宙速度.第一宇宙速度的计算公式是v1=√gR(m/s)，其中g=9.8(m/s2)，R=6.4×10^6（m)。

需要强调的是，第一宇宙速度有两重意义。它既是发射航天器时的最小初速度，也是航天器在绕地球飞行（圆周运动）时的最大环绕速度。 

第二宇宙速度（V2） 当航天器超过第一宇宙速度V1达到一定值时，它就会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星，这个速度就叫做第二宇宙速度，亦称逃逸速度。按照力学理论可以计算出第二宇宙速度V2=11.18km/秒。由于月球还未超出地球引力的范围，故从地面发射探月航天器，其初始速度不小于10．848km/秒即可。

假设在地球上将一颗质量为m的发射到绕太阳运动的轨道需要的最小发射速度为V；

此时卫星绕太阳运动可认为是不受力，其他星体距离地球无穷远；

认为无穷远处是引力0势面，并且发射速度是最小速度，则卫星刚好可以到达无穷远处。

由动能定理得

1/2*mV^2-GMm/r^2=0;

解得V=√(2GM/r^2)

这个值正好是第一宇宙速度的√2倍。

第三宇宙速度使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去，必须使它的速度等于或者大于16.7km/s，即第三宇宙速度。

第三宇宙速度（V3） 从地球表面发射航天器，飞出太阳系，到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度，就叫做第三宇宙速度。按照力学理论可以计算出第三宇宙速度V3=16.63km/秒。需要注意的是，这是选择航天器入轨速度与地球公转速度方向一致时计算出的V3值；如果方向不一致，所需速度就要大于16.63km/秒了。可以说，航天器的速度是挣脱地球乃至太阳引力的惟一要素，只有火箭才能突破该宇宙速度。

第三宇宙速度计算方式：

G*M*m/r^2 = m*(v^2)/r G引力常数，M被环绕天体质量，m环绕物体质量，r环绕半径，v速度。

得出v^2 = G*M/r,月球半径约1738公里，是地球的3/11。质量约7350亿亿吨，相当于地球质量的1/81。

月球的第一宇宙速度约是1.68km/s。再根据：V^2=GM(2/r-1/a) a是人造天体运动轨道的半长径。a→∞，得第二宇宙速度V2=2.38km/s.

一般：第二宇宙速度V2等于第一宇宙速度V1乘以√2。

第三宇宙速度V3较难：

绕太阳运动的平均线速度为29.8km/s。在地球轨道上，要使人造天体脱离太阳引力场的逃逸速度42.1km/s。当它与地球的运动方向一致的时候，能够充分利用地球的运动速度，在这种情况下，人造天体在脱离地球引力场后本身所需要的速度仅为两者之差V0=12.3km/s。设在地球表面发射速度为V3，分别列出两个活力公式并且联立：V3^2-V0^2=GM(2/r-2/d) 其中d是地球引力的作用范围半径，由于d远大于r，因此和2/r这一项比起来的话可以忽略2/d这一项，由此就可以计算出：V3=16.63km/s，也就是第三宇宙速度。

第三宇宙速度V3=16.63km/s。推导方法如下。地球以约30km/s的速度绕太阳运动，地球上的物体也随着地球以这个速度绕太阳运动。正像物体挣脱地球引力所需的最小速度等于它绕地球运动的速度的第三宇宙速度倍那样，物体脱离太阳引力的束缚所需的速度应等于它绕太阳运动的速度的 第三宇宙速度倍，即 第三宇宙速度。由于人造天体已有绕太阳运动的速度30km/s，所以只要使它沿地球运动轨道方向增加12.4km/s的速度就行。但要物体获得这个速度，首先必须使它挣脱地球引力的作用。因此，除了给予物体以 第三宇宙速度的动能外（其中m表示人造成天体的质量，v表示增加的速度12.4km/s），还需给予它 第二宇宙速度(v2表示第二宇宙速度)的动能，即 第三宇宙速度。

用V3表示第三宇宙速度（以地球为参考系），则人造天体应具有的动能等于第三宇宙速度时，才能满足上述条件。

第四宇宙速度是指冲出银河系的最低发射速度。由于人类对银河系的了解尚在进行中，它的精确质量和半径尚未清楚，因此第四宇宙速度的值只能估算，大约在110-120千米/秒之间。人类还没能实现第四宇宙速度。

宇宙速度的一级，预计物体具有110-120千米/秒的速度时，就可以脱离银河系而进入其他星系，这个速度叫做第四宇宙速度。但由於人们尚未知道银河系的栖确大小与质量，因此只能粗略估算，而实际上仍然没有航天器能够达到这个速度。宇宙速度的概念也可应用于在其他天发射航天器的情况。例如计算火星的环绕速度和逃逸速度，只需要把公式中的M,R,g换成火星的质量 、半径 、表面重力加速度即可。

约110~120千米/秒

是指在地球上发射的物体摆脱银河系引力束缚，飞出银河系所需的最小初始速度。但由于人们尚未知道银河系的准确大小与质量，因此只能粗略估算，其数值在110~120千米/秒之间。而实际上，仍然没有航天器能够达到这个速度。

而事实上，宇宙速度的概念是发射航天器的初速度，也就是一次性给予航天器所需要的所有动能。如果不这样，比如说地球上发射火箭，火箭的初速度无法达到第一宇宙速度，但是只要它有不断的动力，也可以进入外太空。

物体达到11.2千米/秒的运动速度时能摆脱地球引力束缚。在摆脱地球束缚的过程里，在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球，而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。

我们知道，必须始终有一个能够维持航天器圆周运动的向心力作用在航天器上。在这里，我们正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力，正好与物体作曲线运动所需要的向心力方向相同。经过计算，在地面上，物体的运动速度达到7.9千米/秒时，它做圆周运动需要的向心力，恰好与地球对它的引力相等。这个速度被称为环绕速度。

上述使物体绕地球作圆周运动需要的速度被称为第一宇宙速度（环绕速度）；摆脱地球引力束缚，飞离地球需要的速度叫第二宇宙速度（逃离速度）；而摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系的速度叫第三宇宙速度（逃逸速度）。根据万有引力定律，两个物体之间引力大小与它们的距离平方成反比。因此，物体离地球中心的距离不同，其环绕速度(第一宇宙速度)和脱离速度(第二宇宙速度)有不同的数值。

第五宇宙速度约1500--2250千米/秒

第五宇宙速度指的是航天器从地球发射，飞出该星系群的最小速度大小，由于该星系群半径、质量均未有足够精确的数据，所以无法估计数据大小。科学家估计大概有500--1000万光年，照这样算，应该需要1500--2250千米/秒的速度才能飞离，但这个速度以人类的科学发展水平，至少要几百年才能达到，所以只是个幻想。

第六宇宙速度是指在地球上以这一速度发射飞船，即可脱离全宇宙的引力的速度，由于目前尚未测准宇宙总质量，因此没有准确数值。天文和物理学术界对于第六宇宙速度是否存在，尚有争议。

光速：這是終極的宇宙速度極限！

人類對於光速的認識經歷了漫長的一段過程，在17世紀之前人們認為光速無限大，後來天文學家通過天文觀測證實光速是有限的，再後來物理學家通過實驗測出光速大約為30萬千米/秒。

光速蘊含著宇宙的秘密。到了1905年，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出了狹義相對論，人類對於光速才有了根本的認識。愛因斯坦認為，空間和時間是相對的，光速是連接這兩者的常數。

現在我們都知道，光的速度是恒定的，沒有什麼東西能比光速更快。不過，這樣的表述不完全準確。其真正涵義是，任何攜帶資訊和能量的物質都不可能超越真空中的光速。真空中的光速為299,792,458米/秒，事實上這個數值是人為定義的，沒有任何的誤差。

光在通過介質時，其運動速度會減慢。例如，當光通過玻璃時，其速度降至真空的三分之二。即使是在空氣中，光的速度也會輕微減慢。這種現象與光的本質有關，因為它是一種電磁波。

當光通過介質時，其電磁場會擾動與之接觸的帶電粒子。然後這些擾動使介質中的帶電粒子以相同的頻率輻射出光，但這個電磁波與之前的相比存在一個相移。由這些擾動產生的電磁波與原先的入射電磁波相疊加，使波長變短，但頻率不變，從而速度減慢。簡而言之，光波與介質中的帶電粒子發生作用,導致光速放慢。

有趣的是，物質的運動速度可以超過介質中的光速。事實上，當來自深空的帶電粒子（宇宙射線）穿過地球大氣時，它們的行進速度比空氣中的光速還快，此時會產生發出淡藍光的切倫科夫輻射。

儘管擁有靜止品質的物質無法超越真空中的光速，但時空本身是一個例外。通過觀測，天文學家發現距離越遠的星系遠離我們的速度越快。由於宇宙的年齡為138億年，我們只能看到138億光年之內的星系。而在138億光年之外的星系，是以超光速在遠離我們而去，我們永遠也看不到它們。這裏之所以會出現超光速的情況，是因為時空本身在不斷膨脹，因此與狹義相對論並不矛盾。事實上，可觀測宇宙的跨度達到了930億光年。

另外，我們可以用光來表示從一個地方到另一個地方需要多長時間：

從地球到月球：1.255秒；

從地球到太陽：8.3分鐘；

我們的太陽到距離最近的恒星（半人馬座α星）：4.24年；

跨越我們的銀河系：10萬年；

從我們的銀河系到距離最近的螺旋星系（仙女星系）：250萬年；

從地球到光的盡頭：138億年。 

如果說光速是宇宙中的速度上限，那麼光子將抵達宇宙的任何一個角落，可事實上我們觀測遙遠天體的光都來自過去，因此空間膨脹的速度比光子要快。回溯138億年前宇宙大爆炸的那一瞬間，在不到一秒鐘的時間內，宇宙以驚人的速度膨脹，目前我們的宇宙已經發展到不可估量的規模，我們可能永遠無法觀測到它的另一面。

宇宙在不斷膨脹的過程中也出現了速度減緩的現象，我們可以通過觀測遙遠天體的星光來尋找證據。一顆數億光年外恒星發出的光子在穿過宇宙空間時也會因為空間膨脹而失去能量，一旦光子抵達我們的望遠鏡，就可以通過紅移公式計算出遙遠天體與我們的距離。紅移現象讓我們觀測到遙遠的星系、恒星，因為它們存在於遙遠的過去，但我們無法看到宇宙歷史中的所有事件。

這是因為我們的宇宙處於不斷膨脹之中，1929年愛德溫?哈勃發現遙遠的星系似乎正遠離我們而去，由此得出了哈勃體積的概念。在哈勃體積這個球形氣泡所“包圍”的區域內，所有的物體都會遠離中央觀察者，且速度會低於光速;與此相對應的是哈勃體積之外所有物體遠離中心的速度會超過光速。該結論也是相對論的魔力所在，為我們打開了超光速太空旅行的大門。

廣義相對論作為描述時空本身結構的理論，其沒有慣性參照系，光速作為速度的限制是不適用的，因此在哈勃體積之外星系的遠離速度比光速更快，但星系本身卻不違反任何宇宙速度的限制。由哈勃體積可推出一個驚人的結論，嚴格地說我們觀測的宇宙像是粒子視界，可觀測的宇宙直徑約為930億光年。事實上，哈勃體積還與暗能量有關，後者決定了宇宙是否正在加速或者減速，如果哈勃體積膨脹，那麼我們就可以看到更多可觀測的宇宙。