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60萬億億噸的地球,為什麽會漂浮在太空而不會墜落?

2024-02-09科學

人的一生是短暫的,不到百年時間都生活在地球上,因此我們每天看到的現象和掌握的規律,其實都是在地球表面的直覺的日常生活經驗。

但是地球在浩瀚宇宙是如此的渺小,長期以來我們很難直接洞察地球之外的宇宙執行規律,也註定了我們的直覺和日常生活經驗很多時候是靠不住的,是帶有很大局限性的。

那麽,我們每天在地球上都會看到什麽呢?

最明顯的感受就是,萬物都朝地面墜落,我們會有上下的方向感,頭頂是上面,腳踩的就是下面,這就是我們的直覺。

於是,直覺就告訴我們:萬物一定會朝下墜落。而物理學大佬牛頓也因此觸摸到了偉大的萬有重力定律,讓我們知道了萬有重力的存在,任何兩個物體之間都有重力。

萬有重力的存在,也是我們能安穩站在地面上的原因所在,我們的直覺也時刻告訴我們,物體總是會被地球吸引,朝下方墜落。

但是問題來了,地球的品質高達60萬億億噸,這麽重的龐然大物為什麽能一直漂浮在太空中,長達45億年之久?地球為什麽不會墜落呢?

其實這種問題的出現,多半是我們認知的局限性造成的,說白了是對地球狀態的誤解。

在地球這個狹小的範圍內,我們有了上下的方向感。不過一旦來到浩瀚太空,根本不存在所謂的上下概念。在太空中,任何物體和空間位置其實都是平權的,都是等價的。所謂的方向只是我們人為定義出來的,因此,所謂的「地球往下墜落或者往下掉」根本就沒有意義。

在太空中本就不存在上下的概念,地球倒是想往下墜落,但哪裏是「下」呢?

但如果答案到這裏就戛然而止了,顯然不是我科普的目標,我們還需要了解與問題相關的其他問題。

比如說,萬物為什麽都在運動?這看似簡單的問題,其實隱藏著很多基本物理法則。

物理課上我們都學過牛頓第一定律,也就是所謂的慣性定律。任何物體在不受外力或者所受合力為零的情況下,都會一直保持靜止或者勻速直線運動。說白了,力並不是物體運動的原因,而是改變物體運動狀態的原因。

我們在地球上每天都會看到物體朝下墜落,那是因為物體受到了地球的重力。同樣的道理,如果地球在宇宙中的運動狀態發生了改變,也跟地球受到的力息息相關。

而如果地球在太空中沒有受到任何力,或者受到的合力為零,那麽地球就會保持靜止或者勻速直線運動。至於朝哪個方向運動就無所謂了,因為太空中本就沒有方向的概念。

但是,我們知道地球所處的太空環境並非空無一物,別的不說,品質更大的太陽就在附近,而且太陽品質占了整個太陽系品質的99.86%,對地球會有強大的重力作用,也正是這種重力作用,才讓地球一直圍繞太陽執行數十億年之久。

由於地球受到了太陽的重力,因此地球在宇宙中的狀態當然不是靜止或者勻速直線運動。

那麽地球該如何運動呢?理論上講,由於受到太陽強大的重力,地球理所當然應該朝向太陽運動,最終墜落到太陽表面,這與我們每天看到地球表面的物體墜落到地面上是一個道理。

但事實並非如此,雖然受到太陽強大重力,地球並沒有墜落到太陽表面,而是一直圍繞太陽做圓周運動,當然並不是正圓,而是橢圓。這是為什麽呢?地球為什麽不會因太陽的重力作用而墜落到太陽表面呢?

答案很簡單,因此雖然地球時刻受到太陽重力,但在運動過程中,地球還有一個與重力方向垂直的切線速度,保證了地球在向太陽墜落的時候,並不會與太陽相撞,總是會錯過太陽。

因此,地球其實真的在一直墜落,而且墜落的方向也確實是太陽中心。但是由於地球還有垂直重力方向的速度,地球的墜落並不是完全的自由落體。

舉個例子就明白地球的運動和墜落了,這個例子就是牛頓大炮,著名的思想實驗,也是人類發射繞地衛星的理論基礎。

這個思想實驗是這樣的,在高山上安裝一架大炮,朝著水平方向不斷發射大炮,我們會發現大炮總是會落到地面上,但是隨著發射大炮的速度越來越快,大炮也會飛的越來越遠。

當然我們有理由相信,當初速度達到一個臨界點,大炮就會一直錯過地球表面,最終繞著地球飛行,實際上就成為了地球的衛星。如今我們知道這個速度就是第一宇宙速度,每秒7.9千米。

雖然大炮不會墜落到地面上,但我們不能否認大炮實際上一直在朝著地球墜落,只不過由於打破在水平方向的速度足夠快,以至於總是會錯過地球。想象一下,如果大炮沒有朝著地面墜落,最終肯定會飛出地球。

當然,人類在發射衛星時並不會如此簡單,牛頓大炮只是理論基礎,實際上人類會先把衛星垂直發射,上升到一定高度,再讓火箭與垂直方向形成一個夾角,讓衛星獲得足夠快的水平速度,這樣操作效率會更高。

而大炮與地球的關系,就相當於地球與太陽之間的關系,地球就相當於一個超級大的大炮。

不僅僅是地球,宇宙中的任何天體的執行規律都是如此,我們的太陽也會受到更大天體的重力作用而發生墜落,這個巨大的天體就是銀河系中心的超大品質黑洞,品質相當於太陽品質的400萬倍。

不過太陽也像地球一樣在高速執行,因此並不會墜落到超大品質黑洞上,而是會圍繞著那個黑洞執行,執行一周需要大約2.5億年時間。

比銀河系更大的結構是本星系群,往上還有室女座超星系,拉尼亞凱亞超星系團,一直到可觀測宇宙。

終極的問題就是,我們的可觀測宇宙也在圍繞某個東西運動嗎,也在墜落嗎?這個問題顯然已經超出了我們的認知範圍,隨著人類科技水平不斷提升,未來某天或許會有答案。

完。