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地球能懸浮在太空中?想多了,其實地球一直在往下掉
2022/03/05
2022/03/05

1957年10月4日,斯普特尼克1號衛星(Sputnik-1)發射升空,從此開啟了人類的航太時代,時至今日,我們早就已經知道了地球在太空中是什麼樣子,從各種來自太空的影像中都可以看到,地球就像是懸浮在太空中一樣。

根據我們在地球上的常識,物體在沒有支撐的情況下總是會往下掉,所以這很容易讓人產生一個問題:地球重達60萬億億噸,為什麼能懸浮在太空中,而不會掉下去呢?

(注:地球質量為5.965 x 10^24千克,約為60萬億億噸)

實際上,這是我們想多了,其實地球一直在往下掉,為什麼這麼說呢?我們需要先來定義一下地球在太空中的下方是哪個方向。

我們判斷「上方」和「下方」有兩個依據,一個依據是我們的視覺,由于我們看到的很多物體都有明顯的「上下」之分(比如說一張桌子、一把椅子等等),因此如果我們看到大多數的物體在「上」和「下」這兩個方向都是一致的,那麼我們就會認為大多數物體的「上方」,就是真實的「上方」。

所以當我們看到上面這張圖時,就會感覺到圖中的那個人是「上下顛倒」的,但實際情況卻不是這樣,因為這只是一個特製的佈景,裡面的物體其實都是「上下顛倒」的,如果你把上面這張圖倒過來看,你就會發現這個「把戲」。

然而假如你親自進入這個佈景中,那麼雖然你可能會暫時有點困惑,但很快你就會確認自己並沒有「上下顛倒」,因為你還有一個更「可信」的依據——對空間力場的感知。

通常情況下,我們都會認為作用于自身的最大的那個力的方向,就是「下方」,在地球上,作用于我們自身的最大的那個力,幾乎都是地球的引力,因此我們就理所當然地認為,地球引力的方向就是「下方」,這也是不管我們站立在地球表面上的任何位置,都會覺得自己是「頭上腳下」的原因。

對于地球而言,太空中並沒有什麼物體具有明顯的「上下」之分,所以我們就可以認為,作用于地球最大的那個力的方向,就是地球在太空中的下方,那這個力是什麼呢?當然就是太陽的引力。

太陽的質量佔據整個太陽系的大約99.86%,它的引力也在太陽系中是「一家獨大」,因此地球在太空中的「下方」,就可以定義成太陽引力的方向。實際上,我們說「地球一直在往下掉」,其實就是指「地球一直在掉向太陽」,那為什麼會這樣呢?我們需要做一個思想實驗。

如上圖所示,假設我們在地球高處架上一門大炮,然後向水準方向發射一枚炮彈,在不考慮其他阻力的情況下,發射出的炮彈就會因為慣性而沿著水準方向飛行,與此同時,它還會受到地球引力的作用,並向地面墜落,所以通常的結果就是:這枚炮彈會飛出一段距離,然後墜落在地面上。

由于地球可以認為是一個球體,其表面其實存在著一個曲率,因此相對于我們當前的地平面而言,遠方的地平面其實是「下降」了,距離越遠,「下降」的幅度就越大。

很明顯,炮彈的速度越快,其飛出的距離就越遠,于是就會出現這樣一種情況:當炮彈的速度達到了一個特定值的時候,它在空中飛了一定的距離後,其高度下降了1米,與此同時,地平面卻因為「地球表面存在曲率」的原因剛好「下降」了1米。

可以想象的是,在這種情況下,這枚炮彈在飛行過程中其實一直在往下掉,但它與地球表面的距離卻始終不會縮小,于是它就會沿著一個閉合的軌道圍繞著地球運行。

上述的思想實驗其實是牛頓提出來的,因此也被稱為「牛頓大炮」,而實驗中的那個「特定值」,其實就是所謂的「第一宇宙速度」,事實上,現在運行在地球上空的各種衛星和空間站,利用的就是這個原理。

我們可以簡單地認為,衛星和空間站其實一直在做自由落體運動,但只要它們自身的軌道速度達到特定值,它們與地球表面的距離就始終不會縮小,當然了,如果是橢圓軌道的話,那麼這個距離就是在一個固定值的上下波動,如此一來,它們就不會掉下去。

順便講一下,當物體在做自由落體運動時,由于物體所有部分都具備相同的加速度,所以物體各部分之間因為重力而產生的相互作用就消失了,看上去就像沒有重力一樣,而正是因為如此,在軌道中運行的空間站中才會出現失重現象。

現在我們只需要將地球看成是空間站或衛星,再將太陽看成是地球,就可以得出:其實地球也一直掉向太陽,但由于地球本身具備一個特定的軌道速度,這就使得地球與太陽表面的距離一直在一個固定值上下波動(因為地球是橢圓軌道),這樣就形成了「地球一直在往下掉,卻始終不會掉進太陽」這種現象。

另外要講的是,因為離地球近的觀測設備的速度與地球的軌道速度相差無幾,而對于那些離地球較遠的探測器來講,雖然它們的速度可能會與地球相差不少,但由于距離太遠,它們拍攝的影像也不會明顯地表現出地球在太空中的位移,所以我們通常就會覺得地球是懸浮在太空中的,但實際情況卻並不是這樣。

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