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深度长文:为何地球悬浮在太空中,而没有坠落下去?

2024-02-02科学

简单讲: 悬浮是错觉,坠落才是真相

之所以我们会产生悬浮的错觉,一方面描述宇宙天体的示意图会在某种程度上误导我们的认知,让我们感觉天体好像都是悬浮在太空。更重要的原因在于,我们生活在地球这个狭小的空间内, 对事物本质的认知往往会不可避免地产生局限性

这种局限性其实还是我们对大自然运动规律掌握得不够造成的。宇宙中有无数个天体, 看起来好像都悬浮着,当然不是因为有什么「神秘力量」起作用,而是这本来就是大自然的原有状态。

那么,从物理学角度来讲,具体是怎么回事呢?

这还需要从人们对「力」这种概念的认识开始说起。不要以为「力」的概念很简单,不就是物体之间的相互作用嘛,但人们对力的认知,以及运动与力之间关系的认知,在相当长的时间里是错误的,直到近代才逐渐接近力和运动的本质。

比如说,在古希腊时期,亚里士多德在解释力这种概念的时候,就认为力是维持物体运动的原因,通俗来讲就是,任何物体的运动都必须有力的参与才行。

这种思想一直统治了上千年之久,直到文艺复兴开始之后,以伽利略和牛顿为代表的学者才逐渐推翻了亚里士多德的观念。

在伽利略开普勒等前辈的基础上,牛顿提出了著名的三大定律。其中牛顿第一定律指出, 力并不是维持物体运动的原因,而是改变物体运动状态的原因 。一个物体在不受外力或者说受到的外力合力为零的情况下,并不一定处于静止状态,还可能保持匀速直线运动状态。

任何物体只要受到外力作用不为零的情况下,一定会朝着外力的方向运动,这一点是毋容置疑的,而这种现象在我们日常生活中太常见了,著名的「苹果落地」的故事相信大家都知道,牛顿正是通过「苹果落地」的现象获得了灵感,从而提出了著名的万有引力定律。

当然,故事的真假我们不做考究,也并不重要。但有一点是肯定的,地球上的物体在地球引力的作用下都会向下运动。

而正是这种「万物一定会向下运动」的认知,让我们对太空中悬浮的无数个天体感到不解。既然引力无处不在,宇宙中那么多的天体为什么不像地球表面的物体那样坠落呢?为什么会一直悬浮在太空中呢?

正如一开始所讲,所谓的悬浮只是表面现象,实际上,包括地球在内的 所有天体一直都在坠落,朝着引力源的方向坠落。

拿我们的地球来讲,地球受到的引力主要来自太阳,所以地球其实一直朝着太阳的方向坠落。同样地,太阳也一直在坠落,朝着银河系中心的超大质量黑洞坠落。

既然地球一直都在朝着太阳坠落,为什么几十亿年来没有坠落到太阳上呢?

原因很简单,因为「 速度 」。地球自诞生之日起就一直围绕着太阳运行,拥有围绕太阳运行的圆周「切线」方向的速度。通俗理解就是,地球除了受到太阳引力之外,还有因速度产生的「离心力」作用,两种力达到了平衡,让地球一直围绕太阳运行,但这并不能否定地球一直朝着太阳的方向坠落,只不过不是垂直方向上的坠落而已。

实际上,地球上空看起来「悬浮」着的卫星和空间站,道理是一样的。之所以空间站上的宇航员会有失重的感觉,就是因为空间站其实一直在朝着地球做「自由落体」运动,自由落体的过程当然是感受不到重力的。

只不过,这里的「自由落体」并不是垂直方向上的,还有其他方向的速度,于是在空间站朝着地球坠落的过程中,始终不会坠落到地球上。

往小了说,空间站的坠落过程,本质上与我们从高处跳下没有什么区别。你从一堵2米高的墙上跳下的过程,其实也是自由落体的过程,也有「切线」方向的速度,这个过程中你会有失重的感觉,这不过这个感觉太短暂了,以至于你很难真实地感受失重。

假设你的力气足够大,弹跳足够好,理论上分析,你用力一跳,一直能跳到几乎围绕地球一周,然后在你身后不远处才落下。然后你再稍稍用力,会发生什么呢?

你将不会落到地面上,而会一直围绕地球旋转,实际上你就成了地球的卫星。在这个过程中,你并不能否认你自己一直在朝着地球坠落。

以上对天体坠落的分析是以牛顿万有引力理论为基础的,其实我们也可以用爱因斯坦的 广义相对论 来分析,更形象更直接。

在广义相对论体系下,万有引力其实是不存在的,引力只是时空弯曲的表象而已。同时,爱因斯坦认为,时间和空间并不是绝对的,不是一成不变的,而是有弹性的,可以弯曲,折叠,甚至撕裂。

而牛顿力学体系下,时间和空间是绝对的,一成不变的,不会受到外界环境和运动的影响。牛顿时间空间和引力的描述很符合我们的日常生活认知,而爱因斯坦提出的相对时空观颠覆了我们的传统认知。

随着科学的不断发展,尤其是对光本质的研究,人们发现时间和空间并不是绝对的,于是,利用「光速不变」这个基本假设,爱因斯坦相继提出了狭义相对论和广义相对论,而 相对论也成为了现代物理学大厦的两大基石之一,另一基石是量子力学

刚才讲了,广义相对论认为,我们每天感受到的引力,其实就是时空弯曲的表象。举个例子,地球围绕太阳转,从三维空间来看,地球的运行轨迹是椭圆形的。但是从四维时空的角度来分析,地球其实一直在做「测地线」运动。

何为「测地线」?说白了就是四维时空中两点的最短距离。

这里很有必要强调一下,四维时空中的「两点」与三维空间里的「两点」概念完全不同,理论上讲,沿测地线运动的物体不受任何外力作用,测地线也可以看做是四维时空的「直线」距离。

也就是说,天体看起来是悬浮在太空,其实一直被弯曲的时空结构「托着」,沿着完全的时空做测地线运动。

那么时空到底是如何弯曲的呢?很多示意图是这样描述的,就像弹簧床那样,重物放在弹簧床上,会造成弹簧床向下凹陷,物体感受到凹陷就会沿着凹陷的方向滚落。

其实这种对时空弯曲的描述是不严谨的,只是更形象方便我们理解罢了。其实时空弯曲的方向并不是向下,毕竟太空中没有「上下」的概念, 时空弯曲的方向是朝着物体的质心 ,同时物体的运动也会拉拽周围的时空。

总结

由于我们生活的地球空间太狭小,所以很多时候我们的日常生活经验会有很大的局限性,要想摆脱这种局限性的束缚,最直接的方式就是跳出地球这个狭小的空间。当然,如今的人类科技不允许每个人都这么做,在这种情况下就需要 大胆放飞我们的思维 ,我们生活的空间可以被束缚住,但我们的思维可以彻底放飞,完全不受任何束缚!