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60万亿亿吨的地球,为什么会漂浮在太空而不会坠落?

2024-02-09科学

人的一生是短暂的,不到百年时间都生活在地球上,因此我们每天看到的现象和掌握的规律,其实都是在地球表面的直觉的日常生活经验。

但是地球在浩瀚宇宙是如此的渺小,长期以来我们很难直接洞察地球之外的宇宙运行规律,也注定了我们的直觉和日常生活经验很多时候是靠不住的,是带有很大局限性的。

那么,我们每天在地球上都会看到什么呢?

最明显的感受就是,万物都朝地面坠落,我们会有上下的方向感,头顶是上面,脚踩的就是下面,这就是我们的直觉。

于是,直觉就告诉我们:万物一定会朝下坠落。而物理学大佬牛顿也因此触摸到了伟大的万有引力定律,让我们知道了万有引力的存在,任何两个物体之间都有引力。

万有引力的存在,也是我们能安稳站在地面上的原因所在,我们的直觉也时刻告诉我们,物体总是会被地球吸引,朝下方坠落。

但是问题来了,地球的质量高达60万亿亿吨,这么重的庞然大物为什么能一直漂浮在太空中,长达45亿年之久?地球为什么不会坠落呢?

其实这种问题的出现,多半是我们认知的局限性造成的,说白了是对地球状态的误解。

在地球这个狭小的范围内,我们有了上下的方向感。不过一旦来到浩瀚太空,根本不存在所谓的上下概念。在太空中,任何物体和空间位置其实都是平权的,都是等价的。所谓的方向只是我们人为定义出来的,因此,所谓的「地球往下坠落或者往下掉」根本就没有意义。

在太空中本就不存在上下的概念,地球倒是想往下坠落,但哪里是「下」呢?

但如果答案到这里就戛然而止了,显然不是我科普的目标,我们还需要了解与问题相关的其他问题。

比如说,万物为什么都在运动?这看似简单的问题,其实隐藏着很多基本物理法则。

物理课上我们都学过牛顿第一定律,也就是所谓的惯性定律。任何物体在不受外力或者所受合力为零的情况下,都会一直保持静止或者匀速直线运动。说白了,力并不是物体运动的原因,而是改变物体运动状态的原因。

我们在地球上每天都会看到物体朝下坠落,那是因为物体受到了地球的引力。同样的道理,如果地球在宇宙中的运动状态发生了改变,也跟地球受到的力息息相关。

而如果地球在太空中没有受到任何力,或者受到的合力为零,那么地球就会保持静止或者匀速直线运动。至于朝哪个方向运动就无所谓了,因为太空中本就没有方向的概念。

但是,我们知道地球所处的太空环境并非空无一物,别的不说,质量更大的太阳就在附近,而且太阳质量占了整个太阳系质量的99.86%,对地球会有强大的引力作用,也正是这种引力作用,才让地球一直围绕太阳运行数十亿年之久。

由于地球受到了太阳的引力,因此地球在宇宙中的状态当然不是静止或者匀速直线运动。

那么地球该如何运动呢?理论上讲,由于受到太阳强大的引力,地球理所当然应该朝向太阳运动,最终坠落到太阳表面,这与我们每天看到地球表面的物体坠落到地面上是一个道理。

但事实并非如此,虽然受到太阳强大引力,地球并没有坠落到太阳表面,而是一直围绕太阳做圆周运动,当然并不是正圆,而是椭圆。这是为什么呢?地球为什么不会因太阳的引力作用而坠落到太阳表面呢?

答案很简单,因此虽然地球时刻受到太阳引力,但在运动过程中,地球还有一个与引力方向垂直的切线速度,保证了地球在向太阳坠落的时候,并不会与太阳相撞,总是会错过太阳。

因此,地球其实真的在一直坠落,而且坠落的方向也确实是太阳中心。但是由于地球还有垂直引力方向的速度,地球的坠落并不是完全的自由落体。

举个例子就明白地球的运动和坠落了,这个例子就是牛顿大炮,著名的思想实验,也是人类发射绕地卫星的理论基础。

这个思想实验是这样的,在高山上安装一架大炮,朝着水平方向不断发射大炮,我们会发现大炮总是会落到地面上,但是随着发射大炮的速度越来越快,大炮也会飞的越来越远。

当然我们有理由相信,当初速度达到一个临界点,大炮就会一直错过地球表面,最终绕着地球飞行,实际上就成为了地球的卫星。如今我们知道这个速度就是第一宇宙速度,每秒7.9千米。

虽然大炮不会坠落到地面上,但我们不能否认大炮实际上一直在朝着地球坠落,只不过由于打破在水平方向的速度足够快,以至于总是会错过地球。想象一下,如果大炮没有朝着地面坠落,最终肯定会飞出地球。

当然,人类在发射卫星时并不会如此简单,牛顿大炮只是理论基础,实际上人类会先把卫星垂直发射,上升到一定高度,再让火箭与垂直方向形成一个夹角,让卫星获得足够快的水平速度,这样操作效率会更高。

而大炮与地球的关系,就相当于地球与太阳之间的关系,地球就相当于一个超级大的大炮。

不仅仅是地球,宇宙中的任何天体的运行规律都是如此,我们的太阳也会受到更大天体的引力作用而发生坠落,这个巨大的天体就是银河系中心的超大质量黑洞,质量相当于太阳质量的400万倍。

不过太阳也像地球一样在高速运行,因此并不会坠落到超大质量黑洞上,而是会围绕着那个黑洞运行,运行一周需要大约2.5亿年时间。

比银河系更大的结构是本星系群,往上还有室女座超星系,拉尼亚凯亚超星系团,一直到可观测宇宙。

终极的问题就是,我们的可观测宇宙也在围绕某个东西运动吗,也在坠落吗?这个问题显然已经超出了我们的认知范围,随着人类科技水平不断提升,未来某天或许会有答案。

完。