為什麼60萬億噸的地球漂浮在太空中而不墜落?

Mondo 科學 更新 2024-02-09

人類的壽命是短暫的,在地球上生活的時間不到一百年,所以我們每天看到的現象和掌握的規律,其實都是地球表面直觀的日常生活經驗。

然而,地球在浩瀚的宇宙中是如此渺小,以至於我們很難在很長一段時間內直接感知到地球之外的宇宙規律,也注定了我們的直覺和日常生活經驗往往不靠譜,有很大的侷限性。

那麼,我們每天在地球上看到什麼?

最明顯的感覺是,一切都落在地上,我們有一種方向感,頭頂在上方,腳在下面,這就是我們的直覺。

所以,我們的直覺告訴我們,一切都必須向下。 而物理學大亨牛頓也觸及了萬有引力大定律,讓我們知道萬有引力是存在的,任何兩個物體之間都存在萬有引力。

重力的存在也是我們能穩穩地站在地上的原因,我們的直覺總是告訴我們,物體總會被地球吸引,向下墜落。

但問題是,地球上的質量為60萬億噸,為什麼這麼重的龐然大物能在太空中漂浮45億年? 為什麼地球不塌下來?

其實,這類問題的出現,多半是由於我們認知的侷限性造成的,說白了,就是對地球狀態的誤解。

在地球的狹小範圍內,我們有一種方向感,上下。 然而,一旦你來到浩瀚的太空中,就沒有上下的概念了。 在空間中,任何物體和空間的位置實際上都是相等的。 所謂方向,只是我們人為地定義,所以所謂的“地球塌下來了,或者塌下來了”,根本沒有意義。

太空中沒有上下的概念,地球想下落,但“下”呢?

但如果答案在這裡戛然而止,那顯然不是我科普的目的,我們還需要了解與該問題相關的其他問題。

例如,為什麼一切都在移動? 這似乎是乙個簡單的問題,但隱藏著許多基本的物理定律。

在物理課上,我們都學習了牛頓第一定律,也就是慣性定律。 任何物體在不受外力或淨力為零時,將始終保持靜止或以勻速直線運動。 說白了,力不是物體運動的原因,而是改變物體運動狀態的原因。

由於地球的引力,我們每天都看到地球上的物體向下墜落。 同理,如果地球在宇宙中的運動狀態發生變化,也與地球上的力密切相關。

如果地球在太空中沒有受到任何力,或者它所承受的淨力為零,那麼地球將保持靜止或以勻速直線運動。 你向哪個方向移動並不重要,因為空間中沒有方向的概念。

但是,我們知道地球的太空環境並不是空的,而且質量更大的太陽就在附近,太陽的質量佔整個太陽系質量的99%86%,地球上就會有很強的引力效應,正是這種引力效應,讓地球繞著太陽公轉了數十億年。

由於地球被太陽引力吸引,地球在宇宙中的狀態肯定不是靜止的,也不是勻速直線運動的。

那麼地球是如何運動的呢? 從理論上講,由於太陽的強大引力,地球自然會向太陽移動,最終落到太陽表面,這與我們每天看到地球表面的物體墜落到地面的原因相同。

但事實並非如此,雖然太陽引力很強,但地球並沒有落到太陽表面,而是一直繞著太陽轉圈,當然,不是乙個完美的圓,而是乙個橢圓。 為什麼? 為什麼地球不會因為太陽的引力而落到太陽表面?

答案很簡單,所以雖然地球時時刻刻都受到太陽的引力,但是在運動的過程中,地球也有垂直於重力方向的切線速度,這保證了地球在向太陽落下時不會與太陽相撞, 並且將永遠想念太陽。

所以,地球其實一直在下落,下落的方向確實是太陽的中心。 然而,由於地球在垂直重力方向上仍然有速度,地球的下落並不是完全的自由落體。

地球的運動和下落可以通過例子來理解,牛頓大炮,著名的思想實驗,以及圍繞地球發射衛星的理論基礎。

這個思想實驗是這樣的,如果你把一門大炮放在一座高山上,水平發射,我們會發現大炮總是會落到地上,但隨著大炮發射得越來越快,大炮會飛得越來越遠。

當然,我們有理由相信,當速度達到臨界點時,大炮總會錯過地球表面,最終繞地球飛行,實際上,它將成為地球的衛星。 現在我們知道這個速度是第乙個宇宙速度,每秒 7 個9 公里。

雖然大炮沒有落到地上,但我們不能否認大炮實際上一直在向地球墜落,只是因為斷裂在水平方向上足夠快,以至於它總是會錯過地球。 想象一下,如果大炮沒有落到地上,它最終肯定會飛出地球。

當然,人類在發射衛星的時候不會那麼簡單,牛頓大炮只是乙個理論基礎,其實人類會先垂直發射衛星,上公升到一定高度,然後讓火箭和垂直方向形成乙個角度,這樣衛星才能得到足夠快的水平速度, 這樣操作效率會更高。

而大炮和地球的關係,就相當於地球和太陽的關係,地球就等於一門超級大炮。

不僅是地球,宇宙中任何乙個天體都是這樣,我們的太陽也會因為乙個更大的天體的引力而墜落,這個天體是銀河系中心的乙個巨大的黑洞,質量相當於太陽質量的400萬倍。

然而,太陽也像地球一樣高速運動,所以它不會落入超大質量黑洞,而是圍繞那個黑洞執行,大約需要 25億年。

比銀河系更大的結構是本星系群,在它上面是室女座超星系團,拉尼亞凱亞超星系團,一直到可觀測的宇宙。

最終的問題是,我們可觀測的宇宙是否也在圍繞某物移動,它是否也在下落? 這個問題顯然超出了我們的理解範圍,隨著人類技術的不斷進步,未來或許有一天會有答案。

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