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深度長文:為何地球懸浮在太空中,而沒有墜落下去?

2024-02-02 20:10:44

簡單講:懸浮是錯覺,墜落才是真相。

之所以我們會產生懸浮的錯覺,一方面描述宇宙天體的示意圖會在某種程度上誤導我們的認知,讓我們感覺天體好像都是懸浮在太空。更重要的原因在於,我們生活在地球這個狹小的空間內,對事物本質的認知往往會不可避免地產生侷限性。

這種侷限性其實還是我們對大自然運動規律掌握得不夠造成的。宇宙中有無數個天體, 看起來好像都懸浮著,當然不是因為有什麼“神秘力量”起作用,而是這本來就是大自然的原有狀態。

那麼,從物理學角度來講,具體是怎麼回事呢?

這還需要從人們對“力”這種概念的認識開始說起。不要以為“力”的概念很簡單,不就是物體之間的相互作用嘛,但人們對力的認知,以及運動與力之間關係的認知,在相當長的時間裡是錯誤的,直到近代才逐漸接近力和運動的本質。

比如說,在古希臘時期,亞里士多德在解釋力這種概念的時候,就認為力是維持物體運動的原因,通俗來講就是,任何物體的運動都必須有力的參與才行。

這種思想一直統治了上千年之久,直到文藝復興開始之後,以伽利略和牛頓為代表的學者才逐漸推翻了亞里士多德的觀念。

在伽利略開普勒等前輩的基礎上,牛頓提出了著名的三大定律。其中牛頓第一定律指出,力並不是維持物體運動的原因,而是改變物體運動狀態的原因。一個物體在不受外力或者說受到的外力合力為零的情況下,並不一定處於靜止狀態,還可能保持勻速直線運動狀態。

任何物體只要受到外力作用不為零的情況下,一定會朝著外力的方向運動,這一點是毋容置疑的,而這種現象在我們日常生活中太常見了,著名的“蘋果落地”的故事相信大家都知道,牛頓正是透過“蘋果落地”的現象獲得了靈感,從而提出了著名的萬有引力定律。

當然,故事的真假我們不做考究,也並不重要。但有一點是肯定的,地球上的物體在地球引力的作用下都會向下運動。

而正是這種“萬物一定會向下運動”的認知,讓我們對太空中懸浮的無數個天體感到不解。既然引力無處不在,宇宙中那麼多的天體為什麼不像地球表面的物體那樣墜落呢?為什麼會一直懸浮在太空中呢?

正如一開始所講,所謂的懸浮只是表面現象,實際上,包括地球在內的所有天體一直都在墜落,朝著引力源的方向墜落。

拿我們的地球來講,地球受到的引力主要來自太陽,所以地球其實一直朝著太陽的方向墜落。同樣地,太陽也一直在墜落,朝著銀河系中心的超大質量黑洞墜落。

既然地球一直都在朝著太陽墜落,為什麼幾十億年來沒有墜落到太陽上呢?

原因很簡單,因為“速度”。地球自誕生之日起就一直圍繞著太陽執行,擁有圍繞太陽執行的圓周“切線”方向的速度。通俗理解就是,地球除了受到太陽引力之外,還有因速度產生的“離心力”作用,兩種力達到了平衡,讓地球一直圍繞太陽執行,但這並不能否定地球一直朝著太陽的方向墜落,只不過不是垂直方向上的墜落而已。

實際上,地球上空看起來“懸浮”著的衛星和空間站,道理是一樣的。之所以空間站上的宇航員會有失重的感覺,就是因為空間站其實一直在朝著地球做“自由落體”運動,自由落體的過程當然是感受不到重力的。

只不過,這裡的“自由落體”並不是垂直方向上的,還有其他方向的速度,於是在空間站朝著地球墜落的過程中,始終不會墜落到地球上。



往小了說,空間站的墜落過程,本質上與我們從高處跳下沒有什麼區別。你從一堵2米高的牆上跳下的過程,其實也是自由落體的過程,也有“切線”方向的速度,這個過程中你會有失重的感覺,這不過這個感覺太短暫了,以至於你很難真實地感受失重。

假設你的力氣足夠大,彈跳足夠好,理論上分析,你用力一跳,一直能跳到幾乎圍繞地球一週,然後在你身後不遠處才落下。然後你再稍稍用力,會發生什麼呢?

你將不會落到地面上,而會一直圍繞地球旋轉,實際上你就成了地球的衛星。在這個過程中,你並不能否認你自己一直在朝著地球墜落。

以上對天體墜落的分析是以牛頓萬有引力理論為基礎的,其實我們也可以用愛因斯坦的廣義相對論來分析,更形象更直接。

在廣義相對論體系下,萬有引力其實是不存在的,引力只是時空彎曲的表象而已。同時,愛因斯坦認為,時間和空間並不是絕對的,不是一成不變的,而是有彈性的,可以彎曲,摺疊,甚至撕裂。

而牛頓力學體系下,時間和空間是絕對的,一成不變的,不會受到外界環境和運動的影響。牛頓時間空間和引力的描述很符合我們的日常生活認知,而愛因斯坦提出的相對時空觀顛覆了我們的傳統認知。

隨著科學的不斷發展,尤其是對光本質的研究,人們發現時間和空間並不是絕對的,於是,利用“光速不變”這個基本假設,愛因斯坦相繼提出了狹義相對論和廣義相對論,而相對論也成為了現代物理學大廈的兩大基石之一,另一基石是量子力學。

剛才講了,廣義相對論認為,我們每天感受到的引力,其實就是時空彎曲的表象。舉個例子,地球圍繞太陽轉,從三維空間來看,地球的執行軌跡是橢圓形的。但是從四維時空的角度來分析,地球其實一直在做“測地線”運動。

何為“測地線”?說白了就是四維時空中兩點的最短距離。

這裡很有必要強調一下,四維時空中的“兩點”與三維空間裡的“兩點”概念完全不同,理論上講,沿測地線運動的物體不受任何外力作用,測地線也可以看做是四維時空的“直線”距離。

也就是說,天體看起來是懸浮在太空,其實一直被彎曲的時空結構“託著”,沿著完全的時空做測地線運動。



那麼時空到底是如何彎曲的呢?很多示意圖是這樣描述的,就像彈簧床那樣,重物放在彈簧床上,會造成彈簧床向下凹陷,物體感受到凹陷就會沿著凹陷的方向滾落。



其實這種對時空彎曲的描述是不嚴謹的,只是更形象方便我們理解罷了。其實時空彎曲的方向並不是向下,畢竟太空中沒有“上下”的概念,時空彎曲的方向是朝著物體的質心,同時物體的運動也會拉拽周圍的時空。

總結

由於我們生活的地球空間太狹小,所以很多時候我們的日常生活經驗會有很大的侷限性,要想擺脫這種侷限性的束縛,最直接的方式就是跳出地球這個狹小的空間。當然,如今的人類科技不允許每個人都這麼做,在這種情況下就需要大膽放飛我們的思維,我們生活的空間可以被束縛住,但我們的思維可以徹底放飛,完全不受任何束縛!

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