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回顧:3.9萬米挑戰近太空跳傘,依然能回到地球,地球重力範圍有多大

2024-10-09科學

在【牛頓哲學原理】中,法國文豪伏爾泰記載在了牛頓和蘋果的相關故事,1666年夏天的某一天下午, 牛頓偶然見看到了一個蘋果從一顆蘋果樹上掉落下來,由此激發了他的思維 ,從而提出了 重力學說 並衍生出 萬有重力定論 。可事實上,盡管萬有重力已經成為了現代物理學中的重要定律之一,但至今也沒有人能夠證明這個故事的真實性。

不僅如此,隨著人類科學認知的發展和進步,甚至 萬有重力本身也逐漸受到了許許多多的質疑 。盡管這種定律十分符合我們在現實生活中所看到的現象,但在 天體研究 之中,萬有重力似乎還沒有達到足夠令人信服的高度。尤其是在時空的概念加入之後,相關的定律討論變得更加熱鬧。

地球重力範圍

台北時間2012年10月15日,奧地利極限運動員菲力克斯·鮑姆加端拿 從距離地面3.9萬米的高空一躍而下 ,成為了世界上第一個挑戰近太空跳傘的人。為了此次跳傘行動,菲力克斯和他的團隊準備了將近足足 七年 左右的時間,好在最終的成功證明,所有的努力都是值得的。

可在這個過程之中,很多人卻忽略了一個問題,處於3.9萬米高空跳下,菲力克斯·鮑姆加端拿最終還能夠 落回地球 ,那麽 地球的重力範圍究竟有多大? 如果說在天體運動之中,萬有重力的說法並不準確的話,那麽地球的「影響力」究竟有多大?

不僅如此,為什麽地球衛星火箭等天體在不受人為控制的情況下進入地球時,都會 與大氣摩擦生熱導致燃燒殆盡 ,而菲力克斯卻不會受到任何影響?要知道在3.9萬米的高空,其實就處於 大氣層與平流層中間 的位置, 大氣質素以及大氣密度都不算低

想要了解這兩個問題其實很簡單,以菲力克斯和地外衛星的最終結果來看,或許有人會猜測,這難道不是接觸面積的原因?其實答案並非如此。盡管菲力克斯與大氣的接觸面積確實小了許多,但這和摩擦力並沒有任何關系。 摩擦力本身和材料以及接觸面的粗糙程度有關,面積大小對結果根本不會產生任何實質性的影響。

事實上,之所以會出現這樣的情況,最重要的原因就在於 穿越大氣的速度不同 。研究資料顯示 菲力克斯的 最高速度大約在373m/s, 已經是 超音速運動 可即便如此,也 遠遠沒有達到大氣摩擦直至燃燒速度的最低要求, 也就是 1020m/s。 這樣一來,菲力克斯自然不會與大氣摩擦直至燃燒。

地外衛星和地外天體 卻完全不同,它們自身的初始速度加上地球重力給予的重力加速度,讓它們 很容易就突破了1020的臨界值 ,燃燒自然也就不可避免。

其次就是地球重力範圍究竟有多大,完全可以透過天體表象和萬有重力定理來推測。牛頓所觀察到的蘋果以及萬裏之外的月球,都會受到地球的影響。而萬有重力定律也提到: 任何兩個質點都存在透過連心線方向上的相互吸重力。 所以從理論上來講, 地球的重力範圍是無窮無盡的。只不過受到質素和距離的限制,地球重力便會逐漸減小。

除此以外,太空中並不僅僅只有地球擁有萬有重力, 任何能夠賦予質素定義的物質,都擁有不同程度的重力。 在這些重力的相互牽扯和作用下,所以我們才 無法感受到其他的行星受到地球的吸引

重力平衡

既然重力是無窮無盡的,那麽 太空中的天體為何沒有相互「集合」在一起? 地外太空中的衛星以及空間站 等等,又是如何能夠維持 在地球表面執行 的。其實答案很簡單,那就是 尋找足夠的力與重力相互對抗 。當兩個對應方向上的力達到平衡以後,物體自然就會穩定在某一個軌域上,且 不會受到外力的影響

  • 萬有重力猜想

  • 早在1632年的時候,其實伽利略就已經提出了離心力和向心力的初步想法。 只不過在那個年代,由於科學發展的限制,伽利略並不知道應該如何描述這兩種特殊的力,有關力的方向,大小以及變化就更不用說。好在牛頓以及其他科學家的不斷努力,最終 離心力定律被證實 ,而向心力及其定義也出現在牛頓 【論回轉物體的運動】 一文中。

    在這之後,牛頓蘋果的故事暫且不談,從離心力到萬有重力,牛頓花費了足足 20年 左右的時間,才建立了一個較為完整的力學體系。尤其是在 【自然哲學的數學原理】 之中,牛頓表明 天體以及地球上的所有物體,都存在相互的吸重力,這才是萬有重力的真正由來。

  • 地球的重力影響

  • 到了現代生活之中,衛星以及空間站等人類探測器之所以能夠在地球表面穩定執行,其實最根本的緣由就在於 「力的平衡」 。我們在地球上感覺不到地球的轉動,但如果放在足夠的視野空間內,那就能夠看到 地球以每秒29.79公裏的速度圍繞太陽運動,而它自身也在以線速度為466米/秒在進行自轉運動。

    在這樣的情況下,當衛星以及空間站被地球「甩」出去的時候,自然會出現一個 離心力 。我們只要讓這個離心力和地球的重力達到平衡,且保證 衛星以及空間站的運轉速度跟上地球的運動 ,那麽 衛星穩定在地外空間自然也就不是什麽難事

    除去對衛星以及空間站的影響之外,其次就是地球與天體之間的相互作用和影響了。這同樣容易理解,以 潮汐現象 為例 其實就是 地球和月球之間的重力相互作用下出現的海水周期性漲落現象。

    那麽為什麽太陽系中的其他行星和地球沒有類似的關系和表現呢?這主要是受到 更大重力場的牽制作用 。月球圍繞地球運動,受到地球的牽制,而地球以及其他行星在太陽系之中,其實就是 在不同距離下受到太陽的重力影響而運動 ,並最終 維持了穩定

    萬有重力與廣義相對論

    從上面的表象闡述可知,萬有重力對天體研究的幫助其實是很大的。也正是借助了萬有重力的理論數值,人類才能夠開啟地外探索之路。那麽 為什麽在這樣的情況下,還會出現萬有重力並不是力的說法呢? 一旦這樣的說法被證實,我們日常生活中所看到的一切現象,又將用什麽樣的定義來證明?

    事實上,在我們的日常生活之中,也就是 地球內部的重力定律發生變化的可能性不大 。換句話來說,我們將地球重力範圍做出分類,那麽 地表的重力只需要借助萬有重力定律就能夠解決99%以上的難題 ;可如果是 地外太空 的現象研究,那麽就要 重新理解萬有重力的定律

    在廣義相對論之中,萬有重力的說法並不準確, 天體運動並不是因為受到了吸引, 就像太陽系中的八大行星圍繞太陽運動,和太陽本身的重力並沒有任何關系,主要是因為 太陽將周圍的時空彎曲了,所以才導致八大星空在我們認知的同一時空中運動。

    不僅如此, 任何一個有質素的天體附近,都會存在時空的彎曲現象,質素越大,則這種現象的影響範圍越廣。 而又恰好這一表述和萬有重力的定義闡述十分接近,所以人們才會將兩種不同的物理概念 混淆 。可事實上,萬有重力其實是科學的表象描述,而 廣義相對論則更加接近事實真相

    我們以百步為抵達客觀真理的終點距離,那麽萬有重力則在五十步左右的地方,廣義相對論則抵達了八十步左右。至於剩余的二十步,其實主要就是在研究 黑洞 等特殊天體的時候, 廣義相對論的描述也並不準確

    科學家們曾經預測, 想要了解整個宇宙的執行規律,或許要將萬有重力,廣義相對論以及微觀量子力學等結合在一起研究才有可能出現。 除此以外,至於未來是否會出現更加令人震驚的科學定律和天體現象,那就只能隨著時間的推移走一步看一步了。

    重力與時空

    結合廣義相對論來看,其實地球重力的範圍和影響並不存在極限值就很容易理解, 因為時空不存在極限值,所以「重力」自然也就不會存在極限值。 換句話來說,這就像我們目前所看到感受到的重力,本身就是另一個維度表述中的時空,那麽所謂的極限值自然也就不存在了。

    如果將這一切放入三維空間之中, 其實就是整個宇宙空間都充滿了各種各樣的重力,地球的重力也成了整個空間重力組成的一部份。 從這一點繼續向下推導,其實也可以說明 整個宇宙中所有物體的重力都不存在範圍和極限 。當物體帶著質素出現在這個世界上時,就已經 成為了整個世界的一部份

    那麽我們是否能夠找到重力的範圍呢? 地球重力的範圍在宇宙空間中無窮無盡 ,可另外一個宇宙呢?不僅如此,像黑洞這樣的特殊天體呢?這些都是有待考量的。 當科學研究到達另外一個高度之後,我們曾經的認知就有必要發生改變

    萬有重力定律之所以是物理學中的重要定律,是因為它比較符合地球上的客觀現象,可如果是 到了地外太空探索時,這個定律就只能運用到比較簡單的現象上面,無法探查事情的本質 。所以,地球的重力範圍在理論上是無窮無盡的,但如果真的想要研究重力的延伸和變化,那就必須要 結合宏觀宇宙中的時空觀點結合分析 才行。

    結語

    其實即便是在對流層之上的空間之中,如果沒有離心力的支持,同樣會落回地球。只不過在那個時候,由於穿過大氣層的速度影響,能否平安歸來就說不準了。隨著科技的進步, 人類高空跳傘的高度越來越高 。或許在未來的某一天,這類運動會像蹦極,滑翔,跳傘等極限運動一樣普及。

    除此以外,其實就地球重力這件事情上面,僅從某一個角度來研究問題,都是錯誤的思維方式。 只有將所有現象結合在一起,分析總結出更加符合客觀事實規律的定律,才是真正合理的開啟方式 。如果僅僅憑借現有的規律去推斷未知的現象,那麽我們最終得到的答案也只會是令自己感到滿意,而不是令科學研究滿意。