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地球重達60萬億億噸,為何沒有掉入宇宙深處,反而懸浮在太空?
2023/01/06

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為什麼重達60萬億億噸的地球,能夠不受任何牽引的,懸浮在太空中?

1972年,阿波羅17號的宇航員在48萬公里外的太空上給地球拍攝了一張照片,在這張照片里,我們的藍色星球懸浮在太空中。阿波羅17號是迄今為止阿波羅計劃中的最后一個載人航天任務,因此這也是人類最近一次在太空中遠眺母星。

人們給這張著名的照片命名:藍色瑪瑙。可能很多人看到這張照片會忍不住去思考我們一開始提到的問題,地球為什麼能懸浮在太空中呢?

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古希臘的學者們就曾經思考過這個問題,當時,亞里士多德認為,地球上(月球下方)的萬物都是由水火土氣構成,而宇宙中(月球上方)的物質都是由以太構成的,因為構成不同,所以宇宙中的物質可以按照圓周運動運轉,不存在下墜的事情。

這聽上去跟沒解釋差不多,我們還是看看牛頓怎麼說吧。

最終真正奠定天文學基礎的是伽利略、開普勒和牛頓,牛頓的牛頓力學和萬有引力,成功統一了地球上和宇宙上的物理學定律,也解答了地球懸浮的問題。

根據牛頓第一定律,力是改變物體運動狀態的原因,地球上的物體會下落,是因為受到了地心引力和向心力的合力的作用,我們也把這個合力稱為重力,重力的方向是豎直向下的。

牛頓提出過一個著名的「思想實驗」:牛頓大炮。

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也就是假設有一個理想的大炮,如果賦予炮彈一個初速度,炮彈的運動軌跡會像拋物線一樣,最終落回地面上,由于地球是圓形的,如果炮彈的初速度下落的速率恰好和地球向下彎曲的程度一致,那麼炮彈就會繞著地球運動,而不會落到地面上,這時炮彈的速度我們就稱為第一宇宙速度,也就是7.9千米/秒。

這在當初只是一個理想實驗,但我們現行已經應用牛頓的推論,利用現代科技制成了用于發射衛星的火箭,炮彈模擬的,就是地球的人造衛星。

其實地球繞太陽運行的原理與衛星繞地球運行的原理是一樣的,地球也有一個大約30公里/秒的速度,由于受到太陽的引力,而繞著太陽運動,相當于太陽的衛星。

所以說,地球是沒有「向下墜」的說法的,在太空中,根本沒有所謂的「上下左右」

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,如果地球的初速度為0,那它的下場應該是「墜入」太陽。

牛頓對天體運行的解釋很準確,但如果引力特別大時,萬有引力定律的誤差就會變大,愛因斯坦的相對論就彌補了這個缺陷。

在狹義相對論中,時間和空間共同組成時空,人類就生活在一個四維時空中,而在廣義相對論中,愛因斯坦認為,引力并不存在,引力現象的本質就是時空的彎曲,更專業地說,是「質量扭曲時空產生的幾何跌落效應」。

地球可以繞著太陽轉,是因為太陽質量足夠大,在太陽系中,太陽的質量占到了太陽系總質量的99.86%,而其他所有天體的質量加起來還不到1%,太陽壓彎了周圍的時空,所以地球只是沿著地球的「測地線」在運動。這里的「測地線」是指地球沿著彎曲空間中最接近于直線的軌跡運動。

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所以是地球在貼著時空的「地面」在跑,從三維空間的角度來看,地球就是在做圓周運動。

一個有質量的物體,必定會產生引力,引力的大小也跟質量成正比,在太陽系內,太陽的質量最大,所有的物體都在圍著太陽轉,但宇宙中比太陽更大的天體比比皆是。

而太陽自身,也在圍繞著銀河系中心的超大質量黑洞公轉,與此同時,銀河系也在圍繞著室女座超星系團公轉,整個宇宙就是一個在不斷運行的空間范圍,相互影響而又相互吸引。

但也有科學家提出了另一種看法,他們認為,除了引力這一因素外,能讓天體「懸浮」

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的原因,還涉及到暗物質和暗能量。

暗物質看不見摸不到,但卻被認為是宇宙物質的重要組成部分,既然看不見也測不到,科學家們為什麼能肯定它的存在?

根據萬有引力定律,離恒星越遠的行星受到的引力越小,但經過觀測,科學家們發現,處于遠離銀河系星系中心的恒星卻不遵守這一規律,它們公轉的速度更大,說明還受到一種神秘的力量的影響。

所以科學家們就將能產生這種力量的物質稱為暗物質了,而暗能量是驅動宇宙運動的一種能量,它比起暗物質更加神秘,根據最新的觀測數據,暗物質在整個宇宙中占了68.3%,暗物質占了26.8%。

可以說,暗物質和暗能量分布在宇宙的各個空間角落,他們產生的力量,應該也能「托住」宇宙中的天體。

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