地球重达60万亿亿吨,为什么仍能够漂浮在天空中?

作者&投稿:巢许 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
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在地球上,对于人类而言,有一种共同的直觉: 万物都会往地上掉 。比如:苹果总会从树上掉下来。既然如此,那地球为什么不会向下掉呢?

1968年,阿波罗8号的宇航员曾经在绕月轨道上给地球拍摄了一张了照片,在这张照片中,我们可以很明显地看到地球是漂浮在太空中的。

类似的照片还有很多,比如:1990年,当时距离地球64亿公里的旅行者一号,朝着太阳系中各个天体都拍了一张照片,最终绘制成了一张太阳系的全家福。在张全家福中,我们都可以到,太阳系内的天体是漂浮在宇宙空间中的。

可是不知道你想过没有,为什么在地球上万物都会往下掉,而在宇宙中的天体,包括地球在内,它们都是漂浮在宇宙空间当中?

要知道,地球可是有60亿亿吨,地球的质量比全人类的重量加起来还要高好几个数量级,照理说,它应该也会下坠才是。

古希腊的学者们就曾经思考过这个问题,亚里士多德后来提出,地球上(月球下方)的万物都是由水火土气构成的,宇宙中(月球上方)的物质都是由以太构成的,由于构成不同,宇宙中的物质可以按照完美的圆周运动运转,也就不存在下坠的事情。

现代看来,亚里士多德的想法可能是有点不切合实际了。那么关于这个问题,后来又是如何解决的呢?

古希腊曾经以亚里士多德学说发展得到了地心说,到了文艺复兴时期,哥白尼等人发展出了日心说。但最终奠定天文学基础的却是伽利略、开普勒和牛顿。尤其是牛顿,他提出了牛顿力学和万有引力定律,成功统一了地球上和宇宙中的物理学定律,并且成功地解释了地球漂浮在宇宙空间中的问题。

根据牛顿第一定律, 力是改变物体运动状态的原因,如果不受力或者合力为零,物体要么保持匀速直线运动,要么保持静止 。所以,我们可以得到一个结论: 地球上的物体会下落,主要是因为受到了力的作用,这个力就是万有引力和向心力的合力 ,我们也把这个合力称为: 重力 。重力的方向刚好就是竖直向下的,所以 “下落”中的“下”这个方向本质上是重力的方向

牛顿曾经在他的著作《自然哲学的数学原理》中提到过一个著名的“思想实验”: 牛顿大炮

他假设有一个理想的大炮,可以打出理想的炮弹。那么,如果炮弹举到一个高度后松手,就会自由落体。

如果让大炮赋予炮弹一定的初速度,炮弹的轨迹就会是抛物线,最终落到地球面上。

由于地球是球体,地面在大尺度上是会向下弯曲的。如果让大炮赋予炮弹恰好的初速度,使得炮弹下落的速率恰好和地球向下弯曲的程度一致,那炮弹就会绕着地球运动,而不会落到地面上。

这颗炮弹也就成了地球的卫星。此时炮弹的速度被我们称为第一宇宙速度,这个速度大概是7.9千米/秒。

那我们再来看地球的动力学情况。地球是受到了太阳的引力,由于太阳的质量特别大,占据了整个太阳系总质量的99.86%,所以太阳的引力非常大,地球的主要受力来自于太阳。

而由于地球拥有一个初速度,所以地球可以绕着太阳运动,相当于太阳的卫星,地球与太阳的关系和牛顿大炮中炮弹与地球的关系是一样的。因此,地球没有“向下坠”,首先是因为地球受到的是太阳的万有引力,其次它具有一个初速度,于是在万有引力作用下开始绕着太阳转。如果地球的速度突然变为0,那地球就和其他的地球上的物体一样,最终掉落到太阳当中。所以, 对于地球来说,地球的“下”是朝向太阳的

牛顿力学在解释天体运行时非常的准确,但是如果引力特别大时,万有引力定律的误差就会比较大。后来,爱因斯坦弥补了这个缺陷,他提出了广义相对论来解释引力现象,并且这个理论如今成为了解释引力现象的主流理论。

爱因斯坦认为: 并不存在引力,引力现象的本质是时空的弯曲 。我们拿地球和太阳举例子,地球可以绕着太阳转,并不是因为太阳对地球施加了引力。而是因为太阳质量足够大,压弯了周围的时空,地球只是沿着地球的“测地线”在运动,这里的测地线类似于平面几何中两点之间的直线。

所以,地球是贴着时空的“地面”在跑,漂浮在太空中也就理所应当,这是符合的是牛顿第一定律,只是从三维空间的角度来看,地球是做圆周运动而已。




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