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地球質素60萬億億噸,這麽重為何會漂浮在太空而不會墜落?

2024-10-11科學

地球上的我們,自出生以來,就生活在這個藍色星球上,我們的生活、認知、感覺都是在地球的環境裏孕育而成。

那麽,我們每天在地球上最直接的體驗又是什麽呢?

最明顯的感覺莫過於,我們站在地面,有明確的上下之分,有方向的指引。我們腳下的大地是「下」,而頭頂的天空是「上」。我們常常目睹那些比空氣密度大的物體,譬如蘋果,會從高空垂直落向地面。

於是,我們總結出了一個規律:重物總是從高處向低處墜落。

這是什麽原因呢?因為有萬有重力的存在,任何兩個具有質素的物體間都存在相互吸引的力,地球會吸引著其重力範圍內的所有物體。

這便解釋了為何我們可以在地面上站穩,為何我們的身體能感知方向,以及為何有質素的物體會受重力作用而下落。

那麽,地球這個巨大的物體,它的質素高達60萬億億噸,它為何會漂浮在宇宙空間中,而不是一直下墜呢?

其實,這看似問題,實則是我們直覺上的一個誤解。

首先,在真空的宇宙中,我們所說的「上下」其實並不存在,任何空間位置在物理上都是等價的,沒有所謂固定的上下、左右、前後之分。方向,只是我們人為定義出來的。因此,說地球「往下掉」,其實並沒有實際意義。

其次,我們要問,物體為什麽會移動?

牛頓第一定律告訴我們,一個物體在沒有受到外力作用時,它會保持靜止或勻速直線運動。只有在外力的作用下,物體的狀態才會發生改變。

地球上的物體下落,是因為受到了地球的重力作用。同樣,地球在宇宙中的運動狀態,也與其所受的力密切相關。

如果在空曠的宇宙中,地球周圍沒有任何天體對其施加重力,那麽地球所受的合力就為零。

那麽,地球會保持靜止,或者以恒定的速度做直線運動。至於朝哪個方向運動,無關緊要,因為宇宙中並沒有方向之分。

但我們知道,地球並不是孤零零地存在於宇宙中,它是太陽系的一員,周邊有太陽、各大行星、矮行星和小天體。

這些天體對地球都存在重力作用,但太陽的質素占整個太陽系的99.8%,所以地球的運動主要受太陽重力的影響。

因此,地球在宇宙中的運動狀態並非靜止或勻速直線運動,而是受太陽重力作用,圍繞太陽運動。

按照常理,地球應該被太陽重力拉向太陽,落到太陽表面。但實際情況並非如此。

地球在重力作用下,沿橢圓軌域繞太陽運動。這是為什麽?

因為地球在受太陽重力的同時,還有一個與重力方向垂直的切向速度。這個速度使得地球在向太陽墜落的同時,總是錯過太陽,不會與其相撞。

所以,我們可以說,地球實際上是在向宇宙空間中的「下」落,但這個「下」並非我們通常理解的南極或北極方向,而是指向太陽中心的方向。

為了便於理解,我們可以想象一個簡單的例子,即牛頓當年做的思想實驗——牛頓大炮。

如果我們垂直向上發射一枚炮彈,它會受到指向地球中心的重力作用,使其速度逐漸降低,直至為零,之後又在重力作用下加速向地球墜落。

所以,單純垂直發射的炮彈或火箭無法逃脫地球重力,也不能使其繞地球旋轉。

要讓炮彈繞地球旋轉或離開地球,就需要給它一個水平方向的初速度,超前發射。

假設在高山上發射炮彈,如果初速度不足,炮彈會因重力作用落向地面。但若初速度達到第一宇宙速度7.9km/s,炮彈的軌跡就會像C那樣,不斷錯過地球表面,繞地球旋轉。

速度再增大,如達到第二宇宙速度11.2km/s,炮彈的軌跡就會像E那樣,逃離地球重力。

這就是人類發射繞地衛星的原理。火箭先將衛星垂直推播到足夠的高度,然後以一定角度給予衛星足夠的水平速度,使其繞地球旋轉。

這與我們通常認為的火箭垂直將衛星送入太空不同,否則衛星仍會因重力而落向地面。

炮彈(衛星)繞地球的過程就像地球繞太陽一樣,地球也在向太陽墜落,但其軌域速度保證了地球總能錯過太陽表面,不會與其相撞。

如果降低地球的執行速度,其軌域會衰減,更接近太陽。當速度足夠低時,地球會在近日點落入太陽,與其相撞。

反之,增加地球的軌域速度,它會錯過太陽越來越多,軌域變大,逐漸遠離太陽。

這就是【流浪地球】中人類使地球離開太陽系的原理,加速地球,使其脫離太陽系。

綜上所述,地球確實在「下落」,方向是太陽中心。之所以不撞上太陽,是因為地球擁有足夠高的速度,保證其能錯過太陽表面。