在我們所居住的地球上,任何有質(zhì)量的東西都會(huì)朝著地面掉落,這正是由于地球強(qiáng)大的引力在持續(xù)的發(fā)揮作用,上千年來,無數(shù)的觀察和科學(xué)實(shí)驗(yàn)都無一例外的證實(shí)了這個(gè)自然定律。
然而,隨著天文學(xué)的發(fā)展,我們的目光早已放到地球之外。但你有沒有思考過一個(gè)問題:在浩瀚無垠的宇宙中,為什么所有的星球都懸浮于宇宙中,我們熟悉的地球同樣如此,它們會(huì)不會(huì)也在朝著某個(gè)方向不停地墜落?
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地球真的“懸浮”在宇宙中嗎?
從地球之外看地球,我們似乎靜止的懸浮在宇宙中,但實(shí)際上,地球一直以每秒 30 公里的速度繞太陽狂奔,這就是地球的公轉(zhuǎn),不僅地球,整個(gè)太陽的八大行星都在繞太陽公轉(zhuǎn)。
這種看似矛盾的“動(dòng)態(tài)靜止”現(xiàn)象,是因?yàn)閰⒖枷档牟煌厍虻摹皠?dòng)力”來源于 46 億年前,太陽系形成之初,原始星云的角動(dòng)量,早期的地球就像一顆被甩出去的“旋轉(zhuǎn)陀螺”,這才有了繞太陽公轉(zhuǎn)的初速度。
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太陽作為太陽系的核心,其質(zhì)量占到了整個(gè)太陽系的99.86%,因此,太陽對(duì)地球產(chǎn)生的引力也是非常強(qiáng)大的。根據(jù)牛頓的萬有引力定律,太陽理論上會(huì)對(duì)地球產(chǎn)生向內(nèi)的引力,最終墜落到太陽表面。
但是由于地球擁有繞太陽公轉(zhuǎn)的初始速度,于是就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的離心力,這兩種作用使地球和太陽之間形成了一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。公轉(zhuǎn)的速度大小也很關(guān)鍵,如果地球公轉(zhuǎn)速度變快就會(huì)逃離太陽;如果速度變慢則會(huì)墜入太陽,現(xiàn)在地球的速度剛好使地球既沒有飛離太陽,也沒有被太陽拉過去,而是穩(wěn)定的沿著橢圓軌道運(yùn)行。
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在日常生活中,我們已經(jīng)習(xí)慣了一個(gè)物體必須要有支撐力才能保持靜止,比如桌子上的一杯水,必須有桌子的支撐才不會(huì)掉下去。但是對(duì)宇宙空間來說,就與我們的日常認(rèn)知不同了,所以我們才會(huì)產(chǎn)生地球在宇宙空間中懸浮的錯(cuò)覺,實(shí)際上,它一直在沿著既定軌道運(yùn)動(dòng),并且一直在“向下墜落”。
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宇宙中沒有“上下左右”之分,上下只適用于地球上或其它星球表面,但在宇宙空間中,根本沒有上下之分,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膩碚f,地球其實(shí)一直在朝著太陽的方向墜落,但地球的公轉(zhuǎn)卻又是一個(gè)“永遠(yuǎn)墜落但永不接觸”的過程,這該如何理解?
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我們可以想象自己在海邊沿著水平方向向前扔石頭,你會(huì)發(fā)現(xiàn),石頭總是會(huì)先向前運(yùn)動(dòng)一段距離,再掉到地面上,我們用的力量越大,石頭就會(huì)運(yùn)動(dòng)的越遠(yuǎn)。
假如你用的力無限大呢,那石頭就會(huì)飛離地球,再也不會(huì)掉下來了。那么理論上應(yīng)該存在一個(gè)力量的臨界點(diǎn)。如果我們?nèi)邮^的力量達(dá)到了這個(gè)臨界點(diǎn),石頭就不會(huì)掉下來了,而是會(huì)不斷地沿著地球運(yùn)動(dòng)。
此時(shí),對(duì)石頭來說,并不代表它就懸浮在地球中,也并不代表它沒有向下墜落。說的通俗一點(diǎn),石頭一直在做“自由落體運(yùn)動(dòng)”,只不過是有水平方向的自由落體運(yùn)動(dòng)。
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這正是著名的“牛頓大炮”設(shè)想,當(dāng)石頭墜落的弧形與地球的弧形一致的時(shí)候,石頭就永遠(yuǎn)不會(huì)墜落到地面上。現(xiàn)在我們把地球看作這塊石頭,就能理解為什么它一直在向太陽的方向墜落,但又永遠(yuǎn)不會(huì)掉到太陽表面上了。
如今圍繞地球運(yùn)行的空間站,就是利用了這個(gè)原理,這里就涉及到我們常聽說的第一宇宙速度,也叫環(huán)繞速度,大約為 7.9km/s,指的是地球上發(fā)射的物體,繞地球表面做圓周運(yùn)動(dòng)所需的最小速度。
從本質(zhì)上講,空間站和它內(nèi)部的物體都在做自由落體運(yùn)動(dòng),但在水平方向上,它有足夠的速度使得自身一直繞著地球表面運(yùn)動(dòng),在垂直方向上,它自身包括其內(nèi)部的物體一直在向“下”墜落,所以會(huì)有失重的感覺。
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結(jié)語:
放眼整個(gè)宇宙:從太陽系到銀河系,天體的運(yùn)行也都遵循著這個(gè)規(guī)律。太陽帶領(lǐng)著整個(gè)太陽系,以每秒230公里的速度繞銀河系中心狂奔,完成一圈公轉(zhuǎn)需耗費(fèi)2.5億年。
愛因斯坦的廣義相對(duì)論對(duì)引力的本質(zhì)提出了更深層次的解釋,引力其實(shí)并非是一種力,引力的本質(zhì)是對(duì)時(shí)空的彎曲,地球本質(zhì)上是沿著被太陽質(zhì)量扭曲的時(shí)空“最短路徑”(測(cè)地線)自然前行。
從宇宙大爆炸開始,宇宙就一直處于不斷演化和運(yùn)動(dòng)的過程,能量和物質(zhì)也在不停的轉(zhuǎn)換,這種動(dòng)態(tài)的本質(zhì)也決定了,宇宙中不存在絕對(duì)靜止的東西。
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