为什么60万亿吨的地球漂浮在太空中而不坠落?

小夏 科学 更新 2024-02-09

人类的寿命是短暂的,在地球上生活的时间不到一百年,所以我们每天看到的现象和掌握的规律,其实都是地球表面直观的日常生活经验。

然而,地球在浩瀚的宇宙中是如此渺小,以至于我们很难在很长一段时间内直接感知到地球之外的宇宙规律,也注定了我们的直觉和日常生活经验往往不靠谱,有很大的局限性。

那么,我们每天在地球上看到什么?

最明显的感觉是,一切都落在地上,我们有一种方向感,头顶在上方,脚在下面,这就是我们的直觉。

所以,我们的直觉告诉我们,一切都必须向下。 而物理学大亨牛顿也触及了万有引力大定律,让我们知道万有引力是存在的,任何两个物体之间都存在万有引力。

重力的存在也是我们能稳稳地站在地上的原因,我们的直觉总是告诉我们,物体总会被地球吸引,向下坠落。

但问题是,地球上的质量为60万亿吨,为什么这么重的庞然大物能在太空中漂浮45亿年? 为什么地球不塌下来?

其实,这类问题的出现,多半是由于我们认知的局限性造成的,说白了,就是对地球状态的误解。

在地球的狭小范围内,我们有一种方向感,上下。 然而,一旦你来到浩瀚的太空中,就没有上下的概念了。 在空间中,任何物体和空间的位置实际上都是相等的。 所谓方向,只是我们人为地定义,所以所谓的“地球塌下来了,或者塌下来了”,根本没有意义。

太空中没有上下的概念,地球想下落,但“下”呢?

但如果答案在这里戛然而止,那显然不是我科普的目的,我们还需要了解与该问题相关的其他问题。

例如,为什么一切都在移动? 这似乎是一个简单的问题,但隐藏着许多基本的物理定律。

在物理课上,我们都学习了牛顿第一定律,也就是惯性定律。 任何物体在不受外力或净力为零时,将始终保持静止或以匀速直线运动。 说白了,力不是物体运动的原因,而是改变物体运动状态的原因。

由于地球的引力,我们每天都看到地球上的物体向下坠落。 同理,如果地球在宇宙中的运动状态发生变化,也与地球上的力密切相关。

如果地球在太空中没有受到任何力,或者它所承受的净力为零,那么地球将保持静止或以匀速直线运动。 你向哪个方向移动并不重要,因为空间中没有方向的概念。

但是,我们知道地球的太空环境并不是空的,而且质量更大的太阳就在附近,太阳的质量占整个太阳系质量的99%86%,地球上就会有很强的引力效应,正是这种引力效应,让地球绕着太阳公转了数十亿年。

由于地球被太阳引力吸引,地球在宇宙中的状态肯定不是静止的,也不是匀速直线运动的。

那么地球是如何运动的呢? 从理论上讲,由于太阳的强大引力,地球自然会向太阳移动,最终落到太阳表面,这与我们每天看到地球表面的物体坠落到地面的原因相同。

但事实并非如此,虽然太阳引力很强,但地球并没有落到太阳表面,而是一直绕着太阳转圈,当然,不是一个完美的圆,而是一个椭圆。 为什么? 为什么地球不会因为太阳的引力而落到太阳表面?

答案很简单,所以虽然地球时时刻刻都受到太阳的引力,但是在运动的过程中,地球也有垂直于重力方向的切线速度,这保证了地球在向太阳落下时不会与太阳相撞, 并且将永远想念太阳。

所以,地球其实一直在下落,下落的方向确实是太阳的中心。 然而,由于地球在垂直重力方向上仍然有速度,地球的下落并不是完全的自由落体。

地球的运动和下落可以通过例子来理解,牛顿大炮,著名的思想实验,以及围绕地球发射卫星的理论基础。

这个思想实验是这样的,如果你把一门大炮放在一座高山上,水平发射,我们会发现大炮总是会落到地上,但随着大炮发射得越来越快,大炮会飞得越来越远。

当然,我们有理由相信,当速度达到临界点时,大炮总会错过地球表面,最终绕地球飞行,实际上,它将成为地球的卫星。 现在我们知道这个速度是第一个宇宙速度,每秒 7 个9 公里。

虽然大炮没有落到地上,但我们不能否认大炮实际上一直在向地球坠落,只是因为断裂在水平方向上足够快,以至于它总是会错过地球。 想象一下,如果大炮没有落到地上,它最终肯定会飞出地球。

当然,人类在发射卫星的时候不会那么简单,牛顿大炮只是一个理论基础,其实人类会先垂直发射卫星,上升到一定高度,然后让火箭和垂直方向形成一个角度,这样卫星才能得到足够快的水平速度, 这样操作效率会更高。

而大炮和地球的关系,就相当于地球和太阳的关系,地球就等于一门超级大炮。

不仅是地球,宇宙中任何一个天体都是这样,我们的太阳也会因为一个更大的天体的引力而坠落,这个天体是银河系中心的一个巨大的黑洞,质量相当于太阳质量的400万倍。

然而,太阳也像地球一样高速运动,所以它不会落入超大质量黑洞,而是围绕那个黑洞运行,大约需要 25亿年。

比银河系更大的结构是本星系群,在它上面是室女座超星系团,拉尼亚凯亚超星系团,一直到可观测的宇宙。

最终的问题是,我们可观测的宇宙是否也在围绕某物移动,它是否也在下落? 这个问题显然超出了我们的理解范围,随着人类技术的不断进步,未来或许有一天会有答案。

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