第3章 牛顿的“大炮”

1590年，意大利天文学家、近代物理学的鼻祖伽利略发现了自由落体定律。十几年后，德国天文学家开普勒经过辛勤的整理和计算，归纳出了行星绕太阳运行的三条基本规律——开普勒三定律。后来，英国大科学家牛顿综合了前辈们的天文学、物理学和力学成就，通过严密的数学推导，把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，论证出了万有引力定律。

万有引力定律使人们认识到：由于人与地球的质量相差太悬殊，所以人总是被地球巨大的引力束缚而不能离开地面。接着，牛顿在1687年完成的《自然哲学的数学原理》一书中指出：如果一个抛物体不受地球引力的作用，就会沿着一个方向向太空深处飘游，浪迹天涯，永远不会回到地球。为此牛顿曾设想制造一座高射大炮，架在高山之上，炮弹平射出去，在获得足够大的速度之后，距地面越来越远，而受到的地球引力也就越来越小，以至能飞到足够远的地方环绕地球飞行而不致掉下来；如果速度再大，甚至会飞离地球轨道而进入宇宙空间漫游。但牛顿设想的高射大炮并没有制造出来，后来的一系列发现也证明这种高射大炮不可能被造出来。

随着人类向宇宙深处探索的延伸，现在问题已经明朗了，要离开地面，就要克服地球引力。如何才能克服地球引力呢？克服引力究竟需要多大的能量？飞行器在突破引力束缚时所需要的最低速度是多少？

根据牛顿提出的理论，人们很快找到了答案。经计算，如果一个物体达到7.9公里/秒的速度，就能使地球对它的吸引力，即物体的向心力与它的离心力保持平衡，物体便可不再坠落到地面，而是环绕地球运行，并与到地面的距离始终保持不变，这个物体就成为地球的一个卫星，环绕地球飞行。这个速度被叫作“第一宇宙速度”，或称“环绕速度”。人类要实现航天的愿望，首先要突破“第一宇宙速度”，这是摆脱地球束缚的第一步。如果按照牛顿的设想，要使炮弹达到7.9公里/秒的速度，炮身需要1公里长，很显然这是无法办到的事情。

如果物体运行的速度再提高，那么它离地球中心的距离就会越来越远，同时飞行速度逐渐减小，飞行轨道变成一个椭圆形；并随着速度的增加，飞行曲线越来越平滑。当速度大到11.2公里/秒时，则椭圆形的曲线就会裂口，地球引力就再也不能对这个物体起作用了。于是，它就会飞离地球，成为太阳系中的一颗行星。这个速度被叫作“第二宇宙速度”，或称“逃逸速度”“脱离速度”。

当这个物体的速度再增加到16.7公里/秒时，太阳的引力就会显得无能为力，也管束不了它，只好让其飞出太阳系，到更加广阔的宇宙空间任意遨游了。这个速度被称为“第三宇宙速度”，目前只有火箭才能突破该宇宙速度。

地球上发射的物体达到什么速度才可以摆脱银河系引力的束缚，飞出银河系呢？由于人们尚未确切知道银河系的准确大小与质量，因此只能粗略估算，需要达到110—120公里/秒，目前还没有航天器能够达到这个速度。

知识链接

牛顿除了在力学方面的成就外，在其他学科也有突出贡献。在数学方面，牛顿与莱布尼茨独立发展出了微积分学，并为之创造了各自独特的符号；在光学方面，他发现白光是由不同颜色的光混合而成的，创立了光的“微粒说”，从侧面反映光的运动性质；在热学方面，牛顿确定了冷却定律；在天文学方面，他创制了反射望远镜。如此众多的成就，称他为百科全书式的“全才”，实至名归。