为什么地球悬在宇宙没有什么东西托住它,但是它掉不下去?

  • 小编 发布于 2019-12-04 09:48:51
  • 栏目:科技
  • 来源:西北老刘视野
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万有引力

首先,我们要摈弃一个思维定式,这个思维定式其实就是:什么都东西都会往下掉。

如果我们逃脱出地球,以视角来看这个问题,我们就会发现,东西都往下掉的根本原因在于万有引力。

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也就是说,万物之间都存在彼此吸引的力,但是这个力特别小,是四大作用力当中最小的一个。

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牛顿还给出了计算引力的公式,根据这个公式,我们知道引力和物体的质量成正比,和两个物体之间的距离的平方成反比。

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我们要知道的是,地球的质量5.965*10^24千克,因此,地球对地球上大多数的物质都有十足的掌控,能够把它们束缚在地球的引力范围内。而我们能能够站在地球面上,其实也和引力是直接相关的。

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如果你到太空当中,也就是说在失重的状态下,就会很容易飘起来。

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而在宇宙中,地球是绕着太阳转的,是太阳吸引地球,所以对地球来说,他的“下”,其实是朝着太阳的方向。也就是说,本质上我们在地球上感受到的“下”其实和我们自身所受到的‘作用力的和’有关。

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而太阳是绕着银河系的质心在运动的,就如同地球绕着太阳转是一回事,因此,对于太阳而言,太阳的“下”是银河系的质心。

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我们从这里就应该可以深刻感受到牛顿力学的魅力,牛顿第一定律是这么说的:

任何物体都会保持匀速直线运动或者静止状态,只有外力能迫使它改变运动状态。

从牛顿力学的角度上看,如果你把一颗星球放在一个完全空旷的宇宙空间中,并且让它静止在那里,(所受合力为零,或者不受力。)这时,星球是不会动的,更不会跌落。因为,没有力驱使它动。

爱因斯坦的广义相对论

当然,以上都是我们在用牛顿力学解决对应的问题,牛顿力学在宏观低速的世界里是十分准确的,如果从引力的视角上看,我们可以把引力在空间中的作用看成是一个引力场,也就是类似于电磁场这样的一种场。

那么这个在作用强度比较弱的引力场下(简称为“弱引力场”),牛顿力学其实是非常精确的。但是有弱就有强,如果到了强场的情况下,说白了就是引力很强(比如:太阳旁边)的时候,牛顿的万有引力定律就会出现很大的偏差。(这件事已经被实际观测所证实,1919年,爱丁顿带队观测太阳周围的星光偏折。)

实际的观测让我们知道,这个时候只有爱因斯坦的广义相对论对于引力的描述可以适用。而广义相对论对于引力本质的表述其实是:

引力的本质是时空的弯曲

为什么地球悬在宇宙没有什么东西托住它,但是它掉不下去?

就拿太阳系来说吧,(由于四维时空用图示很难表述,我们降到平面维度来看。),太阳压弯了周围的时空,而地球呢?其实是沿着时空的“直线”(其实叫做测地线。)在运动。所以,如果你一定要找是什么托住了地球,那就是四维时空托住了地球。

(我们可以把这个二维平面想象成四维时空,时空就好比一张软床一样,被太阳压弯,而地球其实就是沿着这个压弯的斜面在运动。)

为什么地球悬在宇宙没有什么东西托住它,但是它掉不下去?

而地球的运动实际上是符合牛顿第一定律的,只不过它是在四维时空中符合牛顿第一定律,从我们的视角上看,也就是椭圆轨道的运动形态。

(补充一下:广义相对论无论在强引力场还是在弱引力场都同样适用,尤其是它在弱引力场下是可以等效成牛顿的万有引力定律的,因此,我们可以说,广义相对论在弱引力场下兼容了万有引力定律。同样的,狭义相对论在宏观低速下也兼容了牛顿定律。)

所以,最后,我们来总结一下,从万有引力的角度来看,根本不存在所谓的“下”,也就不需要什么东西来“托住”。而从广义相对论的角度来看,天体包括万物其实是都在四维时空当中的,引力的本质是时空的弯曲,天体只是在沿着测地线在运动,也就是说是四维时空托住了天体。

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