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回顧:地球重達60萬億億噸,為啥卻可以飄在太空中,不向下墜落?

2024-04-28科學

綜述

在地球上,我們都知道空中的東西終歸要落到地上, 這是因為地心重力的作用。 那你有沒有想過,在無盡的宇宙空間中,像星球這麽大的東西,會不會也在向著某個地方掉落呢?這裏面涉及到了很多的物理和天文學知識,今天我就盡量用簡單的方式來講解一下。 #圖文萬粉激勵計劃#

地球的質素和運動模式

地球,這顆我們所依賴的藍色星球,其龐大質素與復雜的運動形式決定了我們對宇宙的認識。

地球的質素取決於其體積和密度,而這兩者則由其組成物質所決定。組成元素主要是鐵、氧、矽等元素。 質素大約為6×10^24千克,相當於60萬億億噸。

那麽,人類是如何知道這顆星球的質素的呢?最初的方法是由牛頓提出的,他 利用了我們中學時學過的萬有重力定律。

透過了解地球上某個物體的質素和重力加速度,以及地球的半徑,我們就可以套用這個定律來計算地球的質素。

然而,這種方法的缺陷在於它需要知道萬有重力常數, 即重力的比例系數 ,而這個常數很難準確測量。

後來的方法則是利用地球對其他天體的重力影響,比如月球、人造衛星等,透過它們的軌域參數來更精確地計算地球的質素。

地球的質素對於所有生命和各種物理現象都具有重要的影響。地球的質素決定了地球的重力場,而重力場則決定了氣壓、溫度和潮汐等現象。

此外,地球的質素還決定了地球的轉動慣量, 進而影響了地球的自轉周期、角速度和角動量等特性。 地球的質素還決定了地球的逃逸速度,這又直接影響著地球是否能夠維持大氣層、水迴圈和生物圈等重要系統的穩定。

單單是一個質素問題就已經很復雜了,然而地球還在宇宙中時刻不停的運動。 這種運動包括了自轉和公轉兩種形式 ,具體的概念相信也不用我多解釋了。那麽,最初又是如何發現這些運動的呢?

最初的方法是利用天文儀器,例如日晷、星盤、望遠鏡等,來觀測各種天體的位置和運動軌跡,從而推測出地球的運動狀態。

然而,這種方法的局限性在於它假設其他天體是靜止的, 而實際上它們也在運動。 隨後的方法則采用了物理儀器,如陀螺儀、激光測距儀、原子鐘等,來測量地球的轉動速度、方向和軌域等參數,從而更準確地描述地球的運動狀態。

地球的質素和運動之間存在著密切的聯系,這種聯系也是宇宙中普遍存在的現象。就像地球繞著太陽轉,而月亮則是繞著我們轉。

放眼整個宇宙,小到每顆星球,大到各個星系,都在按照這種模式時刻不停地運轉著。

所以現在我們就可以先知道一個結論,地球的確沒有在一個固定的位置老老實實呆著,如果太空人能把自己釘選在宇宙中一個固定的座標上,那他確實會看著地球飄走,甚至整個太陽系都會飄走。 那下一個問題就來了,在宇宙這麽大的空間裏,所有天體有在向著一個方向掉落嗎?

宇宙中的時空觀

我們在地球上認知的時空結構是由地球的質素和運動所決定的,它是一種彎曲的四維時空結構。 這一理論是由愛因斯坦的廣義相對論所揭示的 ,它對牛頓的萬有重力定律進行了補充。

時空概念涵蓋了物體的位置和時間,它由三個空間維度和一個時間維度組成,構成了一個四維結構。

在經典力學中,時空被認為是平直的,即空間和時間相互獨立,不受物質的影響。 而在愛因斯坦的廣義相對論中,時空被視為彎曲的 ,其形狀和度量會隨著物質的分布和運動而變化,而物質的運動又受到時空的影響。

廣義相對論表明,地球周圍的時空因地球的質素而產生向內的彎曲,這導致地球上的物體受到向地心的重力作用,同時也導致附近光線的偏折。

地球的運動則導致時空產生向外的扭曲, 使得地球上的物體受到向外的離心力作用 ,同時也導致附近時間的減緩。這些效應可以透過廣義相對論的方程式計算和預測,並已得到實驗驗證。

所謂跌落在地球上就是一種自由落體運動,即物體在沒有外力作用下沿著最短路徑運動的結果。

在經典力學中, 跌落被描述為一種勻加速直線運動 ,這是由於物體受到恒定的重力作用所致。在這種情況下,物體的速度會隨著時間增加而增加,而加速度保持恒定。

然而, 在愛因斯坦的廣義相對論中,跌落則被視為沿著測地線運動 ,這是由於物體在彎曲的時空中沿著最短路徑運動。在這種情況下,物體的速度和加速度並不一定隨時間的變化而變化,而取決於時空的彎曲程度和方向,以及物體的初始速度和方向。

地球的跌落在太陽系內可以看作是公轉運動的過程。這種運動並非簡單的勻速圓周運動,而是橢圓形軌域運動,是由地球受到太陽重力的結果。

在這樣的運動中,地球的速度會隨著與太陽的距離變化而變化, 加速度也會隨著與太陽的方向變化而變化 。這些變化可以透過開普勒的行星運動定律描述,並可以透過廣義相對論的方程式解釋。

然而再向外看,太陽系實際上也在進行這個過程,只不過是在圍繞一個更大範圍的核心。這個範圍裏所有的天體又可以作為一個整體,在更大的範圍裏運動。

但這些都是根據我們目前的天文和物理知識推測出來的結果, 我們也沒有足夠的能力去逐級驗證。 畢竟整個宇宙到底是什麽形狀,會不會像我們在地球上一樣也有上下之分,我們在宇宙中的位置到底是如何變化的,這些問題都太大了,暫時人類還解答不了。

結語

雖然對於這個問題的探索只能淺嘗輒止,但是想到在如此廣闊的空間裏,地球還能穩定執行,讓我們賴以生存的家園安穩如常,不得不產生一種渺小而又偉大的感覺。希望全世界的人都能對地球更加的珍視,珍惜這片美麗的藍色家園,共同守護未來。