「我已经出舱啦,感觉那叫一个好。」2008 年 9 月 27 日,翟志刚成为首个进行出舱活动的中国人,他迈出的那一小步,也成了我们中国人探索太空的一大步。后来回到地球后,翟志刚讲,当时瞅着地球和飞船都在那悬浮着,连他自己都飘在空中呢,真担心地球飘跑了自己就回不来啦。
从太空去看呀,不单单是地球,就连太阳、月亮之类的所有天体都在太空里飘着呢。地球的质量大概是 5.97 x 10^24 千克,换算一下差不多是 60 万亿亿吨,那它为啥就能飘在太空里呢?
【谁给地球称的重?】
1797 年呢,亨利·卡文迪许把地球密度的精确测量给完成啦。他用的那个实验装置呀,是约翰·米切尔设计出来的呢,不过米切尔在设计完没多久就去世啦,然后就把装置留给了亨利·沃拉斯顿。最后呢,沃拉斯顿又把装置送给了卡文迪许。
这个实验装置由两个重达 350 磅的铅球以及扭秤系统构成。扭秤中间有个小镜子,利用平行光去照射这个镜子,就能在地面上投射出一个光点,通过观察远处标记位置处光点的移动情况,他可以对扭秤的微小偏转进行量化。卡文迪许的目的是测量两个铅球之间的引力吸引力,用这个来推断地球的平均密度。为了避免气流干扰对实验结果产生影响,卡文迪许把装置安装在了一个不透风的房间里,而他自己则在室外通过望远镜来观测扭秤的变化。
他留意到,两个铅球挨近时,它们间的引力能让扭秤系统有微小的转动。这样一来,他把微小的引力变化转变成了光点位置的明显变化,进而能够去测量和算出引力常量 G 大概是(6.754±0.041)×10^-11 N·m^2/kg^2 。这个数值是他通过实验测量和计算得出来的,在物理学里被广泛接受和运用。借助万有引力常数,他就能算出地球的平均密度是 5500 千克/立方米。
之后呀,科学家凭借卡文迪许对地球密度的测量成果,再结合其他的观测数据以及数学计算,经过一番推导和运算,得出地球的质量大概是 5.972×10^24 千克。这时候就有个问题啦,这么重一个地球,它为啥就能在太空中「飘」着而不往下掉呢?
【是什么让地球悬浮?】
地球能在宇宙里悬浮,那是因为有引力在起作用。
艾萨克·牛顿在 1687 年他那本【自然哲学的数学原理】里,头一回把万有引力定律给阐述出来了。按照牛顿的定律来讲呀,任何两个物体之间都有引力呢,这引力的大小跟它们的质量是成正比的,跟它们之间的距离的平方是成反比的。说白了就是,地球的质量产生了吸引力,能把物体给吸引到地球表面上来。
不过在牛顿那个年代呀,对引力的本质压根就没个确切的说法呢。牛顿把引力当作一种相互作用的力啦,可他没给出引力力量的具体机制,也没详细解释引力的作用原理。牛顿自己就讲过,他不晓得引力到底是咋通过空间传递的,还把它叫做「」呢。这就意味着牛顿压根就不知道到底是什么在「撑着」地球呢。等到后来呀,随着爱因斯坦相对论理论的不断发展,对引力的理解那可就有了重大的改变啦。
【广义相对论与时空弯曲】
1915 年呀,阿尔伯特·爱因斯坦把广义相对论给提出来啦。按照广义相对论来讲呢,引力可不再是牛顿力学里那种相互吸引啦,而是由时空的弯曲所导致的呢,因为质量和能量能把时空给弯曲了。当物体在弯曲的时空里运动的时候,就好像是受到了一种力的作用,我们一般就把这种力叫做引力。引力的本质其实就是时空的几何结构呀,物体沿着时空的「弯曲路径」运动,这就产生了我们能感知到的引力效应啦。
简单来说呀,广义相对论讲的是物质和能量能改变周围的时空结构,会造出一种跟「凹陷」似的时空弯曲。在这弯曲的时空中呢,物体受引力影响,会顺着弯曲的路运动。这路不一定是直线哦,因为在弯曲时空里直线可不是最短的路。别的物体在这凹陷的时空里运动时,就会沿着弯曲的路走,看着就好像受到了引力作用,这就是所说的几何跌落效应啦。
简单来讲呀,像地球这样质量比较大的天体呢,能在它周围的时空里造出一个凹陷,让周围空间的几何形状发生改变哟。别的物体在这个凹陷当中呢,就会顺着弯曲的时空路径运动啦,就跟在斜坡上滚动似的。这种几何上的跌落效应呢,能让物体朝着质量中心移动,也就是朝着凹陷的部分往下掉,在地球上就体现为苹果往地面落啦。
所以呀,在广义相对论的那个框架里呢,质量能让时空发生扭曲,然后就会使得物体顺着那扭曲的时空路径去进行几何方面的下降啦。这种几何上的跌落效应呀,其实就是引力场的一种表现形式哦。
【行星如何漂浮?】
地球身为一个有质量的天体呀,在它周围的时空间里造出了一个凹坑,这个凹坑就构成了地球的引力场呢,让我们能站在地球表面而不会往天上飞啦。这种引力场借着时空的弯曲,把物体紧紧地吸在地球附近嘞。
另外呢,太阳的质量在太阳系里是最大的,大概能占到整个太阳系的 99.86%,正因为这样,它让时空产生了很大的弯曲,太阳系里所有的行星都在围绕着太阳沿着椭圆轨道运动。这个轨道其实就是行星在弯曲时空里的最短路径,沿着这条道走所需的时间是最短的。
简单来讲啊,地球绕着太阳公转呢,其实就是因为地球受到了太阳引力场的吸引才出现的情况,地球公转就相当于朝着太阳坠落啦。不过呢,与此同时地球还在自转呢,这就使得地球有足够的离心力,能在太阳引力的作用下保持稳定的轨道。这种离心力和引力相互平衡,就让地球能围着太阳转,而不会掉进太阳里去。
【太阳凭啥「悬浮」?】
日心说让咱知道,太阳是太阳系的中心哈,可它不是宇宙的中心,连银河系中心也不是。科学家推测银河系中心有个超大质量黑洞,能把银河系所有天体都吸引着围着银河系中心转,这其中就包括太阳的公转。太阳完成一次公转得的时间,就叫太阳的银河年或者太阳年。按照现在的观测和研究来看,科学家估摸太阳的公转周期大概是 220 到 250 百万年左右。太阳的公转速度大概是每秒 220 公里(约每小时 792,000 公里)。这个公转运动使得地球还有其他行星和天体都跟着太阳一起绕着银河系中心运动呢。
照这样类推呀,整个宇宙就跟个套娃似的,每个天体上面都有个更大的天体结构呢,像地球上有太阳系,太阳系上面有银河系,银河系和其他星系一起组成了本星系群,本星系群又跟其他 50 多个星系群一起构成了本超星系团……
目前知道的最大结构是武仙 - 北冕座长城啦。这是由一连串超级星系团构成的超大型天体结构呢,离地球大概有 100 亿光年。从宏观的角度来讲,它和其他「长城」结构一块儿组成一片啦,中间还有各种宇宙空洞呢。它上面的每个小光点都意味着一个星系,每个大亮点都意味着一个超星系团哦。整个宇宙在这个尺度上瞧着,就跟一片神经似的,能让人对宇宙的本质想好多好多呢。
【结语】
当我们使劲儿去探究宇宙的奥秘时,那真的会忍不住感叹它的超级壮丽和复杂程度呀。宇宙就像是一个超巨大又神秘的大舞台,里面装满了数都数不清的星系、恒星、行星以及各种各样稀奇古怪的天体呢。宇宙到底是啥呀?宇宙外面又会是什么呀?靠着科学的研究和观察,我们慢慢揭开了宇宙的一些神秘面纱,可还是有好多没解开的谜等着我们去弄明白呢……