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地球并非悬浮太空:从引力到时空弯曲,看懂永恒的 “坠落”

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在我们所居住的地球上,任何有质量的东西都会朝着地面掉落,这正是由于地球强大的引力在持续的发挥作用,上千年来,无数的观察和科学实验都无一例外的证实了这个自然定律。

然而,随着天文学的发展,我们的目光早已放到地球之外。但你有没有思考过一个问题:在浩瀚无垠的宇宙中,为什么所有的星球都悬浮于宇宙中,我们熟悉的地球同样如此,它们会不会也在朝着某个方向不停地坠落?


地球真的“悬浮”在宇宙中吗?

从地球之外看地球,我们似乎静止的悬浮在宇宙中,但实际上,地球一直以每秒 30 公里的速度绕太阳狂奔,这就是地球的公转,不仅地球,整个太阳的八大行星都在绕太阳公转。

这种看似矛盾的“动态静止”现象,是因为参考系的不同,而地球的“动力”来源于 46 亿年前,太阳系形成之初,原始星云的角动量,早期的地球就像一颗被甩出去的“旋转陀螺”,这才有了绕太阳公转的初速度。


太阳作为太阳系的核心,其质量占到了整个太阳系的99.86%,因此,太阳对地球产生的引力也是非常强大的。根据牛顿的万有引力定律,太阳理论上会对地球产生向内的引力,最终坠落到太阳表面。

但是由于地球拥有绕太阳公转的初始速度,于是就会产生一个额外的离心力,这两种作用使地球和太阳之间形成了一种动态平衡的状态。公转的速度大小也很关键,如果地球公转速度变快就会逃离太阳;如果速度变慢则会坠入太阳,现在地球的速度刚好使地球既没有飞离太阳,也没有被太阳拉过去,而是稳定的沿着椭圆轨道运行。


在日常生活中,我们已经习惯了一个物体必须要有支撑力才能保持静止,比如桌子上的一杯水,必须有桌子的支撑才不会掉下去。但是对宇宙空间来说,就与我们的日常认知不同了,所以我们才会产生地球在宇宙空间中悬浮的错觉,实际上,它一直在沿着既定轨道运动,并且一直在“向下坠落”。

地球为什么是在“向下坠落”?

宇宙中没有“上下左右”之分,上下只适用于地球上或其它星球表面,但在宇宙空间中,根本没有上下之分,严谨的来说,地球其实一直在朝着太阳的方向坠落,但地球的公转却又是一个“永远坠落但永不接触”的过程,这该如何理解?


我们可以想象自己在海边沿着水平方向向前扔石头,你会发现,石头总是会先向前运动一段距离,再掉到地面上,我们用的力量越大,石头就会运动的越远。

假如你用的力无限大呢,那石头就会飞离地球,再也不会掉下来了。那么理论上应该存在一个力量的临界点。如果我们扔石头的力量达到了这个临界点,石头就不会掉下来了,而是会不断地沿着地球运动。

此时,对石头来说,并不代表它就悬浮在地球中,也并不代表它没有向下坠落。说的通俗一点,石头一直在做“自由落体运动”,只不过是有水平方向的自由落体运动。


这正是著名的“牛顿大炮”设想,当石头坠落的弧形与地球的弧形一致的时候,石头就永远不会坠落到地面上。现在我们把地球看作这块石头,就能理解为什么它一直在向太阳的方向坠落,但又永远不会掉到太阳表面上了。

如今围绕地球运行的空间站,就是利用了这个原理,这里就涉及到我们常听说的第一宇宙速度,也叫环绕速度,大约为 7.9km/s,指的是地球上发射的物体,绕地球表面做圆周运动所需的最小速度。

从本质上讲,空间站和它内部的物体都在做自由落体运动,但在水平方向上,它有足够的速度使得自身一直绕着地球表面运动,在垂直方向上,它自身包括其内部的物体一直在向“下”坠落,所以会有失重的感觉。


结语:

放眼整个宇宙:从太阳系到银河系,天体的运行也都遵循着这个规律。太阳带领着整个太阳系,以每秒230公里的速度绕银河系中心狂奔,完成一圈公转需耗费2.5亿年。

爱因斯坦的广义相对论对引力的本质提出了更深层次的解释,引力其实并非是一种力,引力的本质是对时空的弯曲,地球本质上是沿着被太阳质量扭曲的时空“最短路径”(测地线)自然前行。

从宇宙大爆炸开始,宇宙就一直处于不断演化和运动的过程,能量和物质也在不停的转换,这种动态的本质也决定了,宇宙中不存在绝对静止的东西。

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