地球为什么能悬浮在宇宙中,没有掉下去?

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我们常看到许多宇宙的图片,在这些图片中,这些天体似乎都是悬浮在宇宙当中。所以,就给人一种错觉,好像天体都是飘在宇宙当中。那事实真的是如此吗?这其实是对于物理规律掌握得不够清晰造成的,天体之所以看起来悬浮在宇宙中,并不是说有“神秘力量”在托着它,而是它自然而然的

我们常看到许多宇宙的图片,在这些图片中,这些天体似乎都是悬浮在宇宙当中。所以,就给人一种错觉,好像天体都是飘在宇宙当中。那事实真的是如此吗?

这其实是对于物理规律掌握得不够清晰造成的,天体之所以看起来悬浮在宇宙中,并不是说有“神秘力量”在托着它,而是它自然而然的状态。在物理学领域,每个时代的学者也都在思考这个问题,那具体是咋回事呢?

亚里士多德vs牛顿力学

这里的误会主要集中在对“力”的认识上。在古希腊时代,当时发展出了古希腊哲学,在古希腊哲学中,就存在一个学术分支:自然哲学。

自然哲学研究的是万物的本源以及万物运转背后的规律。自然哲学一直到牛顿时代还在延续,牛顿的时代其实是没有“科学”的概念,牛顿其实是自称自然哲学家的,所以他的著作叫作:自然哲学的数学原理,而不是科学的数学原理。

在古希腊时代,哲学的集大成者是亚里士多德。他自然也会对“运动”和“力”的概念进行一些解释。他认为力是维持物体运动状态的原因,说白了就是物体要运动就需要要有“力”的参与。

他的观念一直统治着整个西方的学术圈,一直到文艺复兴时期,一大批杰出的学者出现,并推翻了亚里士多德的观念,这当中的代表人物就是伽利略和牛顿。

牛顿在伽利略等人的基础上,提出了著名的牛顿三大定律。在牛顿第一定律中,我们知道,力是改变物体运动状态的原因,一个物体如果所受合力为零,那它要么保持匀速直线运动,要么保持静止状态。我们再回过头来看“星球漂浮在宇宙中”的案例,其实我们日常生活会有“东西都往下掉“的感受,本质上是因为我们受到了重力,比如:苹果会从树上掉下来,就是重力导致的。重力竖直向下的,所以我们才会觉得东西都会往下掉。

但是如果我们把目光看下太空,我们就发现,天体所受到的力是来自于其他天体,比如,地球会受到太阳的引力作用,同时也会受到月球的引力作用等。这些“力“的作用和重力不同,不是向下的,所以不会把地球向下拖拽,这些”力“指向的都是引力源。

比如,地球受到的太阳引力,方向是指向太阳的,所以如果地球真的要往“下”掉,那对于地球来说,它的”下“也是朝着太阳的。只不过,由于地球具有一定的速度,所以它没有掉到太阳里,而是绕着太阳转。这其实和发射卫星道理是类似的,卫星就是具有一定的初速度,受到地球引力作用,围绕着地球转。

所以,如果我们从经典物理学的角度来看这件事,我们就会发现,天体不可能往下“掉”,因为没有一个朝下的“力”拉拽它。

牛顿力学vs广义相对论

同样是引力现象,不同的物理学家,其实给出的解释是不同的,上文我们提到的是牛顿的万有引力定律与力学三大定律。不过,现代物理学的支柱是相对论和量子力学。其中,广义相对论对“引力现象”的诠释是不同于牛顿理论的。具体来说就是,爱因斯坦认为万有引力是不存在的,引力现象的本质是时空的弯曲。那为什么爱因斯坦会得出这样的结论呢?

这是因为牛顿在提出万有引力定律时,其实有个假设,这个假设就是时间和空间是绝对的,说白了就是所有的人一秒钟的时间跨度和一米的长度都是一样的,和运动无关。牛顿的这个看法其实很符合我日常生活中的直觉的。

后来,随着科学对于“光速”的研究,他们发现,光速在任何关系惯性参考系下都是不变的。不仅如此,如果把光速的这个特点作为理论的基本假设,我们其实可以利用数学推演出,不同运动状态下,空间和时间都是不同的,说白了就是你的运动状态不同,你看到的一米和感受到的1秒的时间跨度就可能是不同的。

所以,在爱因斯坦的时代,他提出时间和空间并不是像牛顿所说的那样是绝对的。以上这些内容其实就是狭义相对论的一部分内容,爱因斯坦基于狭义相对论进一步推导,就得到了广义相对论,他发现了著名的等效原理。这个等效原理说的就是适当加速运动的参考系和重力场是等价的。通过这个方式,他就统一引力和加速运动的物理学现象。

进而提出,引力的本质是时空弯曲引起的,举例来说,月球绕着地球转,其实是因为地球压弯了周围的时空,而月球是沿着时空遵守着牛顿力学第一定律在运动,我们从三维空间中看,它是在走椭圆轨道运动,但实际上从四维时空中来分析,月球沿着测地线在运动,所谓测地线就是高维时空的两点之间的最短距离。

所以,从广义相对论来理解这件事情,我们其实可以认为天体是被时空的“托着”,它们是贴着时空的“地面”在运动。

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