如果有無限長的梯子,能否在不到第一宇宙速度的情況下離開地球?
更新于:2025-04-09 04:17:00

問題中的“無限長”梯子,不妨理解為“足夠長”,即便數百萬公里長也依然堅固不變形。在探討這個假設之前,我們需要不考慮諸如材料、工藝、固定方式以及地球材料供應等問題,集中在這個思想實驗的核心上。我們先來瞭解與第一宇宙速度相關的一些知識。

地球上的物體受地球引力影響,被固定於地表。要從地球表面離開,需要克服這種引力,通常有兩種方法:一種是不斷向上施加動力使物體或人遠離地球引力範圍,比如火箭升空階段應用的原理,或是人通過攀爬梯子將自身化學能轉化為攀升的動力。

題目中的方法屬於這種方式,關於其可行性,稍後我們會作出綜合分析。第二種方法則涉及改變物體的運動方向,使得運動方向與引力方向形成夾角,這樣就能避免物體直接被引力拉回地面,這種運動即為圓周運動。在實現這種運動之前,需要物體具備足夠的初速度,這就是所謂的第一宇宙速度。

第一宇宙速度定義為使物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度,亦稱環繞速度。這個計算可以通過重力與向心力的關係求出,得出其為7.9公里/秒。達到這一速度可以實現離地球表面環繞飛行,但不代表完全逃出地球引力。需要注意的是,環繞速度會隨著高度增加而減小,比如在距地心兩倍地球半徑處的環繞速度縮減至5.94公里/秒,而距地心十倍地球半徑時為2.5公里/秒。

將上述兩種方式結合考慮,如若梯子足夠長,則可成為地球的一部分,並隨地球自轉。由於梯子和地球同角速度旋轉,梯子頂端的線速度會隨著高度增加。假設在某個高度達到該高度的環繞速度,人從此處離開梯子將成為一個環繞地球的人造衛星,在未達第一宇宙速度下實現環繞。

對此種現象的實現,軌道高度為地球同步軌道——約36000公里。在該高度,梯子頂部的線速度為3.1公里/秒,人可以以此速度在環繞地球時不再墜回地表,儘管其速度低於第一宇宙速度。

然而,超出36000公里會產生更快線速度,加大了遠高於此高度部分的離心趨勢,導致梯子可能被破壞,或對地球產生致命影響。若引力克服理論有效,且完全環繞地球被視為“離開地球”,答案是肯定的:攀爬到此高度且未達第一宇宙速度可離開地球。

如果思考物理意義上完全離開地球引力,即引出“希爾球”概念,為尺度以內完全受行星引力主導的區域。對於地球,此球半徑約為150萬公里。理想化情況下,梯子需達此高度,但此速度遠超第一宇宙速度,因此答案在此假設下是否定的。

總結而言,若認為環繞即為離開地球,答案是肯定的;若要求脫出引力圈,則否定;若要求達到逃逸速度即可離開,答案同樣肯定,但需注意上述風險。