1590年，意大利天文學家、近代物理學的鼻祖伽利略發現了自由落體定律。十幾年后，德國天文學家開普勒經過辛勤的整理和計算，歸納出了行星繞太陽運行的三條基本規律——開普勒三定律。后來，英國大科學家牛頓綜合了前輩們的天文學、物理學和力學成就，通過嚴密的數學推導，把地面上物體運動的規律和天體運動的規律統一了起來，論證出了萬有引力定律。

萬有引力定律使人們認識到：由于人與地球的質量相差太懸殊，所以人總是被地球巨大的引力束縛而不能離開地面。接著，牛頓在1687年完成的《自然哲學的數學原理》一書中指出：如果一個拋物體不受地球引力的作用，就會沿著一個方向向太空深處飄游，浪跡天涯，永遠不會回到地球。為此牛頓曾設想制造一座高射大炮，架在高山之上，炮彈平射出去，在獲得足夠大的速度之后，距地面越來越遠，而受到的地球引力也就越來越小，以至能飛到足夠遠的地方環繞地球飛行而不致掉下來；如果速度再大，甚至會飛離地球軌道而進入宇宙空間漫游。但牛頓設想的高射大炮并沒有制造出來，后來的一系列發現也證明這種高射大炮不可能被造出來。

隨著人類向宇宙深處探索的延伸，現在問題已經明朗了，要離開地面，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？飛行器在突破引力束縛時所需要的最低速度是多少？

根據牛頓提出的理論，人們很快找到了答案。經計算，如果一個物體達到7.9公里/秒的速度，就能使地球對它的吸引力，即物體的向心力與它的離心力保持平衡，物體便可不再墜落到地面，而是環繞地球運行，并與到地面的距離始終保持不變，這個物體就成為地球的一個衛星，環繞地球飛行。這個速度被叫作“第一宇宙速度”，或稱“環繞速度”。人類要實現航天的愿望，首先要突破“第一宇宙速度”，這是擺脫地球束縛的第一步。如果按照牛頓的設想，要使炮彈達到7.9公里/秒的速度，炮身需要1公里長，很顯然這是無法辦到的事情。

如果物體運行的速度再提高，那么它離地球中心的距離就會越來越遠，同時飛行速度逐漸減小，飛行軌道變成一個橢圓形；并隨著速度的增加，飛行曲線越來越平滑。當速度大到11.2公里/秒時，則橢圓形的曲線就會裂口，地球引力就再也不能對這個物體起作用了。于是，它就會飛離地球，成為太陽系中的一顆行星。這個速度被叫作“第二宇宙速度”，或稱“逃逸速度”“脫離速度”。

當這個物體的速度再增加到16.7公里/秒時，太陽的引力就會顯得無能為力，也管束不了它，只好讓其飛出太陽系，到更加廣闊的宇宙空間任意遨游了。這個速度被稱為“第三宇宙速度”，目前只有火箭才能突破該宇宙速度。

地球上發射的物體達到什么速度才可以擺脫銀河系引力的束縛，飛出銀河系呢？由于人們尚未確切知道銀河系的準確大小與質量，因此只能粗略估算，需要達到110—120公里/秒，目前還沒有航天器能夠達到這個速度。

知識鏈接

牛頓除了在力學方面的成就外，在其他學科也有突出貢獻。在數學方面，牛頓與萊布尼茨獨立發展出了微積分學，并為之創造了各自獨特的符號；在光學方面，他發現白光是由不同顏色的光混合而成的，創立了光的“微粒說”，從側面反映光的運動性質；在熱學方面，牛頓確定了冷卻定律；在天文學方面，他創制了反射望遠鏡。如此眾多的成就，稱他為百科全書式的“全才”，實至名歸。