站长在线 互联网 地球重60万亿亿吨,为什么能“悬浮”在太空中不往下掉?

地球重60万亿亿吨,为什么能“悬浮”在太空中不往下掉?

宇宙的存在相当神秘且复杂,众多科学家数百年来一直想要弄清宇宙的奥秘,至今物理学界的发展仍然缓慢。从哲学层面看,…

宇宙的存在相当神秘且复杂,众多科学家数百年来一直想要弄清宇宙的奥秘,至今物理学界的发展仍然缓慢。从哲学层面看,宇宙也是一个高深莫测的存在,思考宇宙本身其实也是在思考我们自己。

弄清原理无论从现实意义还是哲学层面来说都对人类有着极大的帮助,这有助于探寻世界的本质。在我们身处的世界中,很多现象看似非常普通,同时人们已经习以为常,但其实际的存在却存在相当多的理论。

这是我们认知世界所探索出来的一套复杂系统,科学家把这称之为物理。物理的研究帮助人类认清了世界的构成和实际存在的东西,同时在认识事物上有着一套研究方法和理论。

宇宙天体

 

地球
我们身处的这颗蓝色星球已经存在数十亿年,作为生命来讲,地球是我们目前唯一的家园。而人类的许多认知也正是从地球上开始。对于普通人而言,我们可能对地球知之甚少,了解得不够充分。

地球其自身的表现也是宇宙客观事实的一种反映,在地球上,我们都知道物体离开一个承载的载体会掉落至地上,那么在宇宙中又会如何呢?

对于身处在太阳系中的地球来说,它是宇宙中的家庭成员,存在于太空中。地球的演化经过漫长的物质聚集,形成了以岩石为基本形态的固体行星。

地球

 

既然是一种实质存在的物体,那么地球肯定也会有重量。地球的平均半径在6371公里,赤道半径为6378公里左右,体积为1.08321乘以10的12次方公里,密度在每立方厘米5.5克。

换句话说,地球的重量在60万亿亿吨。这个天文数字远远地超过了大部分人对数字的认知。在宇宙中存在一个如此巨量的物体却依然有着自身的运转轨迹,并且没有下坠,从宇宙中看,地球就像是漂浮在其中一般。

“漂浮”在宇宙中
如果说地球漂浮在宇宙中,其实这句话说得不对。对于宇宙中存在的一切来说,并不是我们所看到的那样是“漂浮”着的,而是以一种特别的方式运动。

天体之间的引力作用

 

对于宇宙来说,我们要摒弃在地球上的一些传统概念,比如上下左右这种常规的方向概念,再去明确物体的质量与能量之间的关系。

说到这里,你可能会回想起曾经物理课上所了解到的“万有引力”,对于地球来说,引力的存在让各个物体相互吸引,自身的运动又让引力间产生抵抗,引力的存在需要我们克服许多客观方面带来的影响。

这种表现最为明显的是重力的体现,物体运动最终会掉落至地面。但在宇宙中,如果说引力的作用让地球没有发生下坠的话,这个说法其实也不完全对,或者说还不够准确。

宇宙天体

 

要知道宇宙空间的复杂程度远超科学家们的想象,现代物理发展了近百年才有了一个可能存在的宇宙模型。在这里还需要涉及到更多物理方面的相关分支学科知识。

不过我们可以肯定的是,万有引力的作用确实存在于天体之间。但我们不能忽略了宇宙,宇宙本身作为一个空间来说:

物质的运动和引力变化其实也在影响着这个空间。只是引力的作用表现非常明显,我们难以发现其背后的真实作用。

引力表现
从一般说法来看,地球漂浮在宇宙中,没有下坠,没有撞向太阳是因为地球一直在运动,这种自转运动产生了一个逃离太阳引力的离心力。

地球自转

 

而太阳的引力提供了向心力,两者作用相互抵消,所以地球以一种稳定的形式环绕着太阳运转。换而言之,这种运动也是引力的一种表现形式。一直到牛顿阐明万有引力之前,人们对物体下落的运动都有严重的错误认知。

牛顿的万有引力定律发现后,通常被用来表述每个粒子间都有着互相吸引的状态。万有引力定律在天体学上的广泛应用使之在很长的一段时期里被称作“第一次大统一”。

在描述天体运动和物质质量之间的关系时,牛顿的万有引力定律解决了当时物理学界的许多问题。牛顿去世七十多年后,人们在研究水星的轨道时,却发现这颗天体的运动描述用万有引力定律出现了差异。

牛顿万有引力

 

牛顿的理论并不能完全解释行星轨道近日点的岁差,尤其是在他去世多年以后,19世纪时科学家使用的先进望远镜观测到水星的岁差存在每世纪43角秒的差异。

这一问题一直困扰了研究学者们多年,天体物理学的发展也开始放缓了脚步。同时人们在牛顿定律下所认识的宇宙逐渐成为了一个基本模型,研究放缓。

不过进入19世纪后,人类在电磁学上得到了大发展。电磁学对基本的磁、电以及光等现象,包括广泛的电磁辐射谱有了全新的发现和理解,物理学上把这次发现称为“第二次大统一”。

水星设想图

 

第二次大统一向人们展示了一个全新的世界,在描述电磁现象和光上面,麦克斯韦方程组展示了波动电场和磁场如何以恒定速度传播,电磁辐射的概念出现。

基于电和磁标量势的麦克斯韦方程成为了边界值问题、量子力学、分析力学上的重要应用指导。在这之中的不断发展下,麦克斯韦方程的最终结果间接催生出了爱因斯坦的相对论,相对论的诞生揭示了目前我们对宇宙的基本认知。

宇宙空间下的相对论
回到我们之前所说的牛顿万有引力定律在天体物理学上的应用,水星轨道的观察差异,在爱因斯坦的广义相对论下得到了解决。

时空弯曲示意图

 

该理论解释了水星轨道的近日点以每世纪42.98角秒变化的微小差异。在爱因斯坦的广义相对论下,物质之间的引力来自于时空的弯曲。

但在这之前,爱因斯坦还在探索等效原理和潮汐现象时,他发现了几个和曲面几何的类比,这种类比就像直角坐标系到曲线坐标系的变化。

更深层的类比还在潮汐力和曲面曲率的关联,对于引力场而言,潮汐力的作用状态决定了是否可以通过选择一个自由下落的坐标系以此消除引力的影响。

爱因斯坦

 

在这一系列的研究中,爱因斯坦的引力几何理论通过约翰·惠勒的解释,可以理解为时空告诉物质如何运动,物质告诉时空如何弯曲。

也就是说,在广义相对论下,引力是时空弯曲的结果。能让时空弯曲就必须要有质量,有质量的时空区域就会让时空变形。

同时,时空弯曲程度随距离的远离而远离,理论上是可以传播无限远的,所以宇宙中任意两质量源间都有引力存在。

宇宙空间是一个多维的空间,能量在此形成的弯曲我们可以把宇宙理解为平面上的一张床或者布料,地球就像是布料上的一颗球。

时空弯曲设想图

 

球的质量让床面形成了下凹,这种下凹就像宇宙中的时空弯曲。由于太阳是更大的一颗球,于是太阳造成的弯曲会更加大,所以在两个弯曲空间上,太阳的引力就会比地球更强。

两者的相互作用达到了一种协调后便维持了地球的基本运转,地球也在多种力场的作用下完成平衡,从而“稳固”地存在于宇宙中。

在牛顿万有引力定律中,引力来自于物质的特定属性,这种属性便是质量。爱因斯坦的理论(等效原理)以及基于相对论的其他引力理论中,质量的确是决定引力的重要属性。

球让床面下凹了

 

不过在相对论里,这不是引力的唯一来源。它将质量和能量联系起来,而能量由于动量结合。在狭义相对论下的表现则是由最经典的E=mc2公式表达出来。

物体的所有属性,例如温度或者微观世界下的原子、分子等系统中的结合能,这些属性都能联系到它的能量,综合起来形成引力。

天体之间存在引力

 

宇宙的基本属性
有了相对论、牛顿万有引力定律、电磁模型后,时空这一概念也应运而出,这个四维的数学模型给我们展示了如今我们所处的世界。

地球所处的宇宙空间远比我们想象的更为复杂,其运作状态则是多种力的共同作用完成的。广义相对论和狭义相对论都在不同层面解释了地球引力的出现和作用。

在范围更广的物理量中,应力-能量张量是引力场的源。每个物体的时空状态都不一样,从地球上来讲,如果要说“坠落”的话,实则地球是跟随着太阳在进行下坠,而太阳跟随着银河系下坠。

每个天体间因质量形成的空间弯曲在相互影响着彼此,因为引力的平衡才让不同天体间没有发生碰撞,只要没有外力因素,这个状态会持续保存下来。

时空弯曲设想图

 

在大部分的天体物理研究中,应用得更多的还是牛顿的万有引力定律。相比于爱因斯坦的相对论,在一些结果数据上表达比相对论更准确,使用也更为简单。

而广义相对论成功地为一些物理学模型提供了框架,不过广义相对论也并未完全解决目前的所有问题。广义相对论是一个经典理论,但与其他描述基本相互作用的现代理论相比,它并没有包括量子物理的现象。

目前在相关的理论研究中没有一个完整的理论出现,时空中存在的引力奇点至今也仍未解决,科学家们希望找寻到新的统一理论来完善人类对宇宙的认知。

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作者: 小蜗牛

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