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施郁 （复旦大学物理学系教授） 第四宇宙速度是指地球上的物体如果最终能脱离银河系，所需要的初始速度。 我们生活在地球表面。通常我们只想到物体受到地球的引力。其实牛顿的万有引力定律告诉我们，物体会受到其他所有物体的引力！当然，普通的物体所施加的引力很微弱，可以忽略不计，而只需要考虑天体所施加的引力。你从太阳系的尺度来看，就立即明白，地球还受到太阳和其他行星的引力，而太阳比行星的质量大得多，所以主要是受到太阳的引力。 如果你从银河系的尺度上来看，地球还受到银河系中众多天体的引力。 那为什么计算脱离地球引力的第二宇宙速度时（参加我对前一个问题的回答），没有考虑太阳和其他行星的引力呢？因为这种情况下，即使是“无穷远”，从太阳系的角度，也是与初始位置没多大不同，所以太阳和其他行星，乃至银河系外所有天体的引力，几乎都没有变化，所以不用考虑！与之类似，考虑逃逸出太阳系的时候，也不需要考虑太阳系之外的天体的引力！ 现在第四宇宙速度是关于从银河系逃逸的问题，所以不需要考虑银河系之外的天体的引力。 但是银河系中有很多天体，如何计算它们对地球的引力不是那么简单。作为一个较好的近似，可以假设银河系的质量分布是有一定对称性的，那么可以只考虑太阳系在银河系中的轨道之内的天体，轨道之外的天体的引力互相抵消了（这叫做高斯定理）。 但是这个总质量究竟是多少，还不是特别精确。 从这个总质量，就可以用类似从地球逃逸的速度（第二宇宙速度）的计算方法算出第四宇宙速度。另外，考虑地球、太阳系都在旋转，相对银河系的初始速度是相对地面的初始速度加上地球相对银河系的速度。这个初始动能应该不小于地球在银河系中的引力势能的大小（用上面的总质量算）。 这样得到的第四宇宙速度大概是每秒钟110-130公里。 |
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