地球为什么能够悬浮在太空中(地球能悬浮在太空中)

1957年10月4日,斯普特尼克1号卫星(Sputnik-1)发射升空,从此开启了人类的航天时代,时至今日,我们早就已经知道了地球在太空中是什么样子,从各种来自太空的影像中都可以看到,地球就像是悬浮在太空中一样。

地球为什么能够悬浮在太空中(地球能悬浮在太空中)(1)

根据我们在地球上的常识,物体在没有支撑的情况下总是会往下掉,所以这很容易让人产生一个问题:地球重达60万亿亿吨,为什么能悬浮在太空中,而不会掉下去呢?

(注:地球质量为5.965 x 10^24千克,约为60万亿亿吨)

实际上,这是我们想多了,其实地球一直在往下掉,为什么这么说呢?我们需要先来定义一下地球在太空中的下方是哪个方向。

我们判断“上方”和“下方”有两个依据,一个依据是我们的视觉,由于我们看到的很多物体都有明显的“上下”之分(比如说一张桌子、一把椅子等等),因此如果我们看到大多数的物体在“上”和“下”这两个方向都是一致的,那么我们就会认为大多数物体的“上方”,就是真实的“上方”。

地球为什么能够悬浮在太空中(地球能悬浮在太空中)(2)

所以当我们看到上面这张图时,就会感觉到图中的那个人是“上下颠倒”的,但实际情况却不是这样,因为这只是一个特制的布景,里面的物体其实都是“上下颠倒”的,如果你把上面这张图倒过来看,你就会发现这个“把戏”。

然而假如你亲自进入这个布景中,那么虽然你可能会暂时有点困惑,但很快你就会确认自己并没有“上下颠倒”,因为你还有一个更“可信”的依据——对空间力场的感知。

地球为什么能够悬浮在太空中(地球能悬浮在太空中)(3)

通常情况下,我们都会认为作用于自身的最大的那个力的方向,就是“下方”,在地球上,作用于我们自身的最大的那个力,几乎都是地球的引力,因此我们就理所当然地认为,地球引力的方向就是“下方”,这也是不管我们站立在地球表面上的任何位置,都会觉得自己是“头上脚下”的原因。

对于地球而言,太空中并没有什么物体具有明显的“上下”之分,所以我们就可以认为,作用于地球最大的那个力的方向,就是地球在太空中的下方,那这个力是什么呢?当然就是太阳的引力。

地球为什么能够悬浮在太空中(地球能悬浮在太空中)(4)

太阳的质量占据整个太阳系的大约99.86%,它的引力也在太阳系中是“一家独大”,因此地球在太空中的“下方”,就可以定义成太阳引力的方向。实际上,我们说“地球一直在往下掉”,其实就是指“地球一直在掉向太阳”,那为什么会这样呢?我们需要做一个思想实验。

地球为什么能够悬浮在太空中(地球能悬浮在太空中)(5)

如上图所示,假设我们在地球高处架上一门大炮,然后向水平方向发射一枚炮弹,在不考虑其他阻力的情况下,发射出的炮弹就会因为惯性而沿着水平方向飞行,与此同时,它还会受到地球引力的作用,并向地面坠落,所以通常的结果就是:这枚炮弹会飞出一段距离,然后坠落在地面上。

由于地球可以认为是一个球体,其表面其实存在着一个曲率,因此相对于我们当前的地平面而言,远方的地平面其实是“下降”了,距离越远,“下降”的幅度就越大。

很明显,炮弹的速度越快,其飞出的距离就越远,于是就会出现这样一种情况:当炮弹的速度达到了一个特定值的时候,它在空中飞了一定的距离后,其高度下降了1米,与此同时,地平面却因为“地球表面存在曲率”的原因刚好“下降”了1米。

地球为什么能够悬浮在太空中(地球能悬浮在太空中)(6)

可以想象的是,在这种情况下,这枚炮弹在飞行过程中其实一直在往下掉,但它与地球表面的距离却始终不会缩小,于是它就会沿着一个闭合的轨道围绕着地球运行。

上述的思想实验其实是牛顿提出来的,因此也被称为“牛顿大炮”,而实验中的那个“特定值”,其实就是所谓的“第一宇宙速度”,事实上,现在运行在地球上空的各种卫星和空间站,利用的就是这个原理。

我们可以简单地认为,卫星和空间站其实一直在做自由落体运动,但只要它们自身的轨道速度达到特定值,它们与地球表面的距离就始终不会缩小,当然了,如果是椭圆轨道的话,那么这个距离就是在一个固定值的上下波动,如此一来,它们就不会掉下去。

地球为什么能够悬浮在太空中(地球能悬浮在太空中)(7)

顺便讲一下,当物体在做自由落体运动时,由于物体所有部分都具备相同的加速度,所以物体各部分之间因为重力而产生的相互作用就消失了,看上去就像没有重力一样,而正是因为如此,在轨道中运行的空间站中才会出现失重现象。

现在我们只需要将地球看成是空间站或卫星,再将太阳看成是地球,就可以得出:其实地球也一直掉向太阳,但由于地球本身具备一个特定的轨道速度,这就使得地球与太阳表面的距离一直在一个固定值上下波动(因为地球是椭圆轨道),这样就形成了“地球一直在往下掉,却始终不会掉进太阳”这种现象。

另外要讲的是,因为离地球近的观测设备的速度与地球的轨道速度相差无几,而对于那些离地球较远的探测器来讲,虽然它们的速度可能会与地球相差不少,但由于距离太远,它们拍摄的影像也不会明显地表现出地球在太空中的位移,所以我们通常就会觉得地球是悬浮在太空中的,但实际情况却并不是这样。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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