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地球质量达60万亿亿吨,为何能悬浮太空,而没有掉入宇宙深渊?
2022-07-11

日常经验告诉我们:万物都会“往下掉”,这是地球引力的作用。而如果你在太空中观看我们的地球,会发现地球像是一直“悬浮”在太空中,貌似并没有往下掉,为何会如此?

需要从以下几个方面来分析这个问题。

首先,地球(或者是其他星球)真的是“悬浮”在太空中吗?

非也!不但不是悬浮在太空中,恰恰相反,地球真的是一直在“向下坠落”!

如何理解?

举个例子,一个非常通俗易懂的例子,你甚至随时可以在现实生活中重现这个例子。

在大马路上随便捡起一块石头,向前扔,你会发现石头会飞出一段距离,但总是会坠落到地面上。

当然你力气越大,石头飞出的距离就越远,但石头还是会落到地面上。

接下来放飞你的思想,来个思想实验。假设你拥有无穷大的力量,随着你扔石头的力量越来越大,石头飞出的距离也会越来越远。

接下来你肯定感觉到什么了!

没错,总有一个力量的临界点,当达到这个临界点,石头就不会坠落下来了,而会成为地球的“卫星”,一直绕着地球运行。

但不会坠落下来,不代表石头就没有坠落的趋势,不代表石头就是悬浮的。实际上石头一直在朝向地球坠落,说得更通俗点就是石头一直在做“自由落体”运动,只不过是有“水平”方向速度的自由落体运动。

假设你的力气差一点达到临界点,会发生什么?

石头会绕地球一圈,然后落到你脚后跟那里(当然是理想情况,这里就不要较真了!),然后你的力量稍微大一点,石头就不会坠落到地面了。

这也是著名的“牛顿大炮”的设想。当石头坠落的弧形与地球的球体弧形一致时,石头就不会坠落到地面。

而地球不正是一块巨大的“石头”吗?

其次,我们通常所说的“向下坠落”具有很大的局限性,只适用于地球(或者其他星球)的表面,在地球上我们能很好地定义“上下”,但到了浩瀚太空,定义“上下”就没有这么容易了。

或者说,在太空中,根本无所谓“上下”,没有“上下”的概念。

地球倒是想“向下坠落”,但哪里是“下”啊?

最后,地球倒是想掉入“宇宙深渊”,但“宇宙深渊”到底在哪里?或者说“宇宙深渊”到底是什么?

正如刚才所说,地球确实在“向下坠落”,但这里的“向下”仍旧是一个局部概念,在太阳系范围内,地球确实一直朝着太阳的方向坠落,但坠落的弧形正好与太阳弧形一致(当然也是理想情况,实际上地球轨迹是椭圆),所以不会落到太阳表面。

说白了,地球其实一直在朝着太阳做自由落体运动,正如空间站同样朝着地球做自由落体一样,这也是为什么空间站上的宇航员会完全失重,自由落体当然会失重了!

从物理学角度来讲,地球其实在沿着时空的“测地线”在运动。

何为“测地线”?

类似于“平面上两点之间直线最短”,时空的“测地线”就是时空的最短距离。

而广义相对论告诉我们,时空并非是平直的,而是弯曲的,引力的本质正是时空的弯曲。天体沿着弯曲的时空做测地线运动。

有一句话形容,就是“时空告诉物体如何运动,物体告诉时空如何弯曲”!

有质量的物体(尤其是大型天体)可以让时空发生弯曲,然后物体沿着弯曲的时空结构运动。

有人可能会有疑问:时空朝哪个方向弯曲呢?

不是上也不是下,只会朝着物体的质心弯曲,就像下图那样,运动的物体让周围的时空弯曲。

当然,有人还会有疑问:地球向太阳坠落,太阳向银河系中心坠落,银河系向哪里坠落呢?……

如此追问下去,问题就会演变为:我们的宇宙为何不坠落?

哲学上这种思想:任何问题一旦追问下去,都不会有答案,都会走向死胡同。科学也属于哲学一部分。

当然,并不是说不让问,科学本来就是一步步揭开宇宙和大自然的神秘面纱的,如今人类了解的宇宙奥秘连九牛一毛都不如,或许有更深层的奥秘隐藏在背后,需要我们人类不断努力太多!