目前,載人飛船都是加速到第一宇宙速度(7.9公里/秒),才能離開地球飛上太空,環繞地球運動。如果要完全擺脫地球,不被地球的引力拉回來,太空飛船的速度需要達到第二宇宙速度(11.2公里/秒)。
那麼,為什麼飛離地球需要這麼快的速度呢?如果有一把長度無限的梯子,我們能否沿著梯子爬到太空中,無需達到第一或者第二宇宙速度來離開地球呢?
關於這個問題,需要弄清楚第一和第二宇宙速度究竟是怎麼回事。
想象一下,一枚炮彈被水平發射出去,它的飛行距離會隨著初速度的增加而變遠。如果初速度達到了一個足夠快的速度,炮彈就能環繞地球飛行而不會掉下來。這是因為地球表面是有弧度的,只要飛得足夠快,可以在撞到地球之前越過彎曲的地表。
如果沒有空氣阻力,炮彈就能不斷繞著地球飛行,引力剛好充當了炮彈圓周運動的向心力。根據牛頓力學,可以算出這個速度為7.9公里/秒,這就是第一宇宙速度。但在現實中,地表有稠密的空氣,載人飛船一般要飛到距離地表400公里的太空中,那裡基本上沒有空氣阻力,地心引力較弱,所需的速度會慢一些,大概為7.7公里/秒。
也就是說,如果航天器的速度能夠達到第一宇宙速度,它在太空中繞著地球飛行不需要動力,依靠慣性就能持續運動。同樣地,只要航天器的初速度能夠達到第二宇宙速度,它無需任何動力就能逃離到無窮遠的地方,不會被地球的引力拉回來。
因此,無論是第一宇宙速度,還是第二宇宙速度,都是指無動力情況下的速度。如果有動力,即便飛行器的速度很慢,沒有達到第一宇宙速度,它也能繞著地球飛行,只要能夠克服地心引力就行,例如,速度遠低於第一宇宙速度的普通飛機也可以環球飛行。同樣地,有動力的太空飛船也能慢慢飛出地球,擺脫地球的引力束縛。
如上所述,只要通過某種方法來克服重力,不需要達到宇宙速度也能離開地球。因此,如果有無限長的梯子,我們就可以順著梯子而上,直接去往1億光年外的河外星系都沒有問題。
事實上,關於這種梯子早就有了設想,這就是所謂的太空電梯。太空電梯的一端部署在距離地表大約3.58萬公里的同步軌道上,與地球保持同步自轉。通過太空電梯,往返地球與太空將會變得更加便捷。