我从小就有一个疑问,为什么所有的星球都是漂浮在空中的?

作者&投稿:鲁逸 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
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我从小就有一个疑问,为什么所有的星球都是漂浮在空中的?

在日常生活中,我们经常可以看见“漂浮”的现象,轮船在水面上浮动,热气球在空气中悬浮,直升机在空中悬停,而放眼地球之外,人造卫星始终围绕着地球旋转,月亮始终围绕着地球运行,而从我们的角度观测,它们都似乎是漂浮在空中。如果从宇宙星空模拟图片或者天文望远镜观测到的所有星体,都是静静地处在宇宙中的一个相对固定的位置,也好像是漂浮的,这究竟是什么原因呢?

“漂浮”的物理含义

“漂浮”从物理学的角度来看,就是相对于观察者处于静止的状态,也就是说目标物体与观察者在相同的惯性参照系内,理论上都处于相同的运动状态,或者静止,或者处于匀速直线运动,或者起点相同的变速运动,而在我们平常观察的事件中,起点相同的变速运动一般很难遇到,虽然这种运动在我们看来也是和我们相对静止的。那么,从静止或者匀速直线运动来说,按照牛顿第一运动定律,就表明物体没有受到外力作用或者所受到的外力相平衡,这个物体就有保持原来运动状态的规律,即表现出惯性。

我们向天空扔一个小球,它最终会经过一个抛物线落到地面,因为它受到了地心的引力。假如我们给它一个非常大的初始速度,让其达到宇宙第一速度,即每秒7.9公里,那么它就会在垂直于地表的方向在最高点静止或者绕着地球做圆周运动,从而实现了漂浮的目的。而在该速度之下,小球就会因地球引力作用向下坠落,这个坠落的过程和漂浮正好是我们感觉上的两个相反现象,我们就有了“下”和“上”的感觉,其中“下”就是向着引力来源方向。

这样的情况自然也会发生在宇宙空间中,月球围绕地球运转,地球围绕太阳运转,其实是和刚才我们高速抛小球的道理一样,月球受到地球引力作用,地球受到太阳引力作用,而月球相对于地球、地球相对于太阳的运转速度正好提供了可以和引力相平衡的离心力,使得处于相对平衡的状态,而是不被引力中心所坠落。

因此从某种意义上来说, 宇宙中的星体悬浮,就是星体所受综合作用力的平衡所致 ,无论引力是大还是小,只要是平衡,星体就能处于不被引力拖曳进去入引力源的趋势。

宇宙星体的悬浮

在地球上,我们感觉与悬浮相对的,就是向下的运动趋势,小球回落地球是受到心的引力,使得我们有了“向下”的概念,我们从高处蹦跳,也是受到地球引力的作用,最终回到地面,也使我们有了跳下的概念。而放眼到宇宙之中,月球受到的地球引力、地球受到的太阳引力,也可以认为对于月球来说,地球引力的方向就是“下”;对于地球来说,太阳引力的方向就是“下”。同样地,太阳系围绕银心运动,对于太阳系来说,银心的方向即是“下”,而银河系也绕着宇宙中的一个巨引源在运动,那么巨引源的方向就是银河系的“下”,只不过这个引力中心不是一个物体,而是众多星系群的引力合力而已。

而根据万有引力公式:F GMm/(r^2),两个物体之间引力的大小与物体的质量成正比,与相互之间的距离成反比。大质量的星体,对外界星体的引力虽然很大,但是如果从非常遥远的空间来看,这种引力的范围是有限的,距离越远,引力衰减得很厉害,当距离达到几亿公里或者以光年计算的话,那么从该大质量星体与目标物体间的引力来看,可以忽略不计了。当目标物体所受到的引力非常微小,即处于微重力环境之下,那么这个星体也基本会保持相对静止的悬浮状态。

138亿年的宇宙大爆炸,给如今宇宙的形成提供了丰富的物质来源,同时也给了物质运动的初始能量,无论是以这些物质为基础形成的恒星、行星、卫星,还是小行星、星际尘埃和气体物质,都有了初始运动速度,那么,以我们观察者的角度来看,在由质量引发的万有引力,以及物体初始运动产生的离心力,甚至在暗物质、暗能量的共同作用下,宇宙中的所有星体,都在各种力的作用下,达到了一种稳定的平衡状态。

我们感觉“漂浮”的局限性

我们在地球上看一个物体的“漂浮”,其实是缘于与物体坠落的对比形成的一种感觉,我们生活在地球表面之上,相对于在空中的物体,我们就类比性地将物体向地面坠落,即地心的引力作用视为与我们合而为一,从而以惯性思维的方式认为只要是与地球相对静止的物体,其都处于悬浮状态,这种认知是非常带有局限性的,主要表现在:

总结一下

星体之所以能够在宇宙空间中“漂浮”,是因为其受到的综合作用力相互平衡所致,有始终保持运动规律的惯性。同时,由于在宇宙空间中所有星体的周围都是“虚无缥缈”的空间,没有了上下前后左右的概念,也就失去了我们在地球上感觉出来的物体“坠落”的参照系统,没有了坠落,也就谈不上“漂浮”,这只是星体的自然状态而已。

爱因斯坦认为时空不过是物质广延性的体现。一切物体也都在时空中。以相对论的角度来说,所有天体都被时空兜住了,而且时空是这个宇宙中最“坚硬”的东西。

是漂浮,还是坠落?

地面上的我们觉得星星都飘在空中,好像它们都能抵抗地心引力而不掉下来。事实上,地球引力太小了,根本拽不动它们。

但所有的天体却都被更强大的引力拽着,使它们坠向强引力源,只不过天体在形成之时都有一个初速度,于是就变成了被强引力源拽着做圆周运动。



卫星围绕行星转,行星围绕恒星转,恒星围绕星系核转,这些运动都由引力造成,所以所有的天体可以简单地理解为都在坠向其环绕的中心引力源。月球坠向地球,地球坠向太阳,太阳坠向银心,然而银河系又坠向哪里?

以牛顿力学来解答这个问题会产生无止尽的追问。

然而以相对论的角度来思考,物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。

没有引力,只有时空。

时空将一切物质裹在其中,空中的星球也被时空裹挟着运动。所以说,时空撑住了所有的天体、星系,以及我们。

我们安静且渺小,因此时空待我们温柔如水,一生还算过得平静。但宇宙中的天体就不一样了,它们的质量让时空倍感压力,被挤压,被扭曲,但最后总算还撑得住。扭曲的时空,就像被铁球压出一个深坑的 乳胶垫,铁球的质量越大这个坑就越大。



也就是说,只有大质量的天体才能让时空表现出明显的弯曲。日常生活中的物体,就像乳胶垫上的微生物,完全不会对垫子产生压迫。一个铁球可以把垫子压出一个深坑,但它能使时空弯曲多少?几乎为零,可以忽略不计。

因为铁球与天体之间的质量天差地别,也可以说支撑天体的时空比支撑铁球的乳胶垫坚硬的多,到底有多坚硬呢?

时空的硬度

假设乳胶垫的坚硬程度为1,那么钢铁的坚硬程度大概就是10^11,而时空的坚硬程度是恐怖的10^43(这个数字刚好和普朗特时间:10^-43s的数字成倒数) ,这是一个天文数字,意味着亿万倍的强度差。

“时空具有硬度” 这一结论让人感觉违背常理,难以接受,其实只是因为我们习惯性地把时空认为是空的罢了。

如果说,所有的天体都在坠向自己所环绕的引力源,那最终那个最大质量的引力源又坠向哪?如果我们都在以一种感受不到的方式下坠,那我们是否就生活在一个黑洞之中?

这样看来,有时空兜底,反而让人踏实一点。

有时空兜不住的质量吗?

按上面的概念来理解,时空的“硬度”与“韧性”可谓是这个宇宙中最强的,而黑洞可能是时空唯一兜不住的天体。

黑洞是巨大质量被无限压缩成一个不可逆的奇点。不去讨论这个点的物理奇异性,单从承重的角度来看,黑洞周围的时空就像被压破了的纸。

这个被压破的时空豁口到底通向哪?没人知道。或许是另一个时空,另一个“硬度”与“韧性”更大的 时空 。

黑洞的事件视界就是这个时空的洞口,而黑洞奇点可能根本就不存在于我们这个时空,所以不遵循我们这个宇宙的物理法则。

黑洞这个“向下”坍缩的方向,可以说是我们这个宇宙唯一能确定的 “ 第四空间维度 ” ,通向一个未知的时空。

现代物理学已经明确知道这个时空的大门位于我们时空的下限:普朗克长度(1.61624 10^-35m)与普朗克时间(5.39121 10^-44s),这个下限之下所有的物理学定律都不适用。

在超弦理论中,那里是称之为“弦”存在的时空,且“弦”具有巨大的张力,是一种“硬弦”,这是否和那个时空的“硬度”有关?

如果这样理解,超弦理论就根本不是这个时空的物理理论,而应该是另一个时空的一种理论。弦与其说是构成我们这个世界物质的更基本单位,不如说是那个时空外溢出的能量成就了这个世界,而我们这个世界物质坍缩后凝聚的能量,再次回到另一时空。

总结

如果时空是一种具有广延性的物质,那时空是否也该具有“时空密度”的概念。如果是,时空扭曲就是由于时空密度的分布不均造成的,只是唯有巨大的质能才能造成时空密度的分布不均。

而就宏观宇宙与微观宇宙而言,我们身处的这个时空与普朗克尺度下的时空,其时空密度属于不连续的两个量级,类似与“能级”的概念。

两个时空内的物质,就像电子一样只会在自己的时空能级上运动。黑洞的出现就像是一次时空能级的“跃迁”,而逆向“跃迁 ”是否就是暗物质的产生机制?毕竟暗物质和黑洞本身一样,都无法用电磁波探测。

这样的脑洞结论,你认为如何??

在现实的生活中,有许多类似的问题。例如,为什么飞机可以在天上飞,为什么轮船可以在海上航行,为什么加速运动会产生惯性力,为什么会有黑天白昼?如果我们只是把目光局限在具体的现象,那么类似的问题是无穷无尽的。

这是因为,现实的世界是一个有机的整体,不存在绝对孤立的自由物体。每一个物体的行为,除其自身的因素外,还会受到外部环境的影响与约束。因此,我们可以把现实的世界划分为两大类,其一是物理背景,其二就是物理对象。

物理对象是显而易见的,而物理背景则往往是深藏不露的。例如,在三百年前,我们并不知道空气的存在。当年,也只是间接地用两匹马拉不开两个半球,证明了空气的存在,人们并没有眼见为实地看见气体分子的运动。

同理,当人类的认识拓展至高速领域、宇观领域和微观领域时,发现了许多新的现象与实验。例如,物体的运动受到了限制,其速度无法达到光速;包括光子在内的各种物体,它们的运动轨迹受到了其他物质超距的影响;所有的微观粒子都具有波动性。这些现象,如果按照经典力学的做法,仅从作为物理对象的物体来寻找原因的话,是难以理解的。

比如,哥本哈根学派认为,粒子的波动性是粒子的内在天然属性。因此,所有物体的存在形式都是各种可能性的堆积,即是概率的叠加态。只有当我们观察某物体时,该物体才会瞬间由概率的状态随机地转变为现实的物体。由此,得出了量子纠缠的结论。

由于我们的宇宙是一个相对独立的系统,其必定是由不可再分的最小粒子构成的。此外,由于普朗克常数h的存在,使能量具有了不连续性,说明该常数定义和定量了最小粒子。因此,作为宇宙基石的最小粒子被命名为量子,其是能量的最小单元,是宇宙中唯一的实体粒子。

于是,根据前面所说的两大分类,离散的基态量子构成了宇宙的 本底 物理背景,由高能量子的运动所形成的封闭体系,就是宇宙中的物理对象。前者为量子空间,后者则是各种基本粒子、原子和分子等,属于物质的范畴。

因此,如果我们把量子空间比作是大海的话,那么各种物质就仅只是由于海水的涌动所泛起的泡沫。所谓海水的涌动,是指宇宙的极速膨胀。所以,作为泡沫的物体,它们运动的本质是在量子空间随波逐流。所有物体的行为,都取决于空间量子对物体碰撞的对称性。

比如,微观粒子受到了空间量子的不对称碰撞,因而具有了波动性;宏观物体的加速运动,引起了空间量子的不对称碰撞,产生了惯性力;当物体相对于量子空间高速运动时,会引起大量的空间量子不对称碰撞,从而限制了物体的增速,使该物体以势能的形式增加能量,表现为速度的不变性;由于物质的封闭性小于1,会对外辐射热能,使量子空间围绕着该物体形成热的梯度分布,从而使另一物质受到了空间量子的不对称碰撞,产生了万有引力。

因此,天体的运动轨迹是由其初始的运动、加速度(离心速度)和热辐射等多种引起空间量子不对称碰撞的综合结果。类似于漂流,天体现有的运动,是其受到空间量子不对称碰撞最小的状态,即是该天体最自然的存在状态。

总之,空间不空和物质不实。宇宙的主体是量子空间,宇宙极速膨胀的副产品是各种天体。因而,天体悬浮在量子空间,其运动的状态取决于空间量子碰撞的对称性,是随波逐流的。




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