许多人可能都会有这样的疑惑:地球的体积如此庞大,却为何没有坠落?你是否曾思考过:倘若地球决定坠落,它又会往何处坠去呢?
地球的质量高达60万亿亿吨,这与重量是不同的概念。重量是在重力场中物体的衡量,在不同的重力场中,相同质量的物体重量会有所不同。举例来说,6公斤的物体在月球上仅重1公斤,因为月球重力仅为地球的六分之一。
无论到达何处,物体的质量都不会改变,它是物体的物理属性,是物质的量的度量。度量的标准工具是天平,1000克的棉花与1000克的黄金在质量上是等同的,无论在地球上还是月球上都具有相同的质量。
而在地球上,我们熟悉的上下左右概念,在太空中则不存在。地球上所谓的“下”,实际上是指地心,是地心引力将我们牵引在地表,我们习惯性地称之为“下”。
然而,在脱离地球的太空环境中,引力来源的方向即为“下”,与之相对的方向即为“上”,而我们的左手方向就是“左”,右手方向则是“右”。这就是我们人类所界定的上下左右。
在太空舱中,一旦停止加速,宇航员们会进入一种“失重”状态,在舱内飘浮,不再有上下左右的界限。
然而,飞船内部设施的设定还是让宇航员能够感受到上下左右的方向感。如果没有了上下左右,我们又该如何在太空中辨别方向呢?
事实上,在太空中虽然会经历“失重”,但这并不意味着完全没有重力。在太空中,天体的引力影响实际上是无处不在的,只不过这种影响微乎其微,不易察觉。
万有引力作为一种长程力,在理论上可以作用于无限远的距离。也就是说,即便到达了宇宙的尽头,地球的引力仍旧存在。只是随着距离的平方增加,引力的强度会相应减弱,当距离足够远时,这种引力小到无法用最精密的仪器检测出来。
但在太阳系内,所有天体都在太阳的引力场中运动。太阳系内的行星、矮行星、卫星以及无数的小行星,皆在太阳的引力作用下绕其公转。
如前所述,人类习惯将受引力作用的方向称为“下”,因此,地球被太阳引力牵引,向太阳方向公转,太阳的方向便被称为“下”。
那么,地球为何没有坠入太阳的“底部”呢?
速度在此起到了关键作用。只有速度带来的离心力,才能与引力形成的向心力相抗衡。
爱因斯坦的广义相对论指出,万有引力仅仅是质量导致时空弯曲的表现。任何物体都会在周围造成时空扰动,形成时空旋涡和陷阱。路过大质量天体附近的小天体,便会被其时空旋涡吞噬,表现出被引力吸引的现象。
要抵抗这种引力旋涡,唯一的方法就是提高速度,速度越快,越能逃脱引力旋涡。这便是速度的离心力与引力的向心力之间的平衡。
正如一艘试图摆脱水中旋涡的船只,速度越快,越容易逃脱。
在地球上,存在着三个宇宙速度。第一宇宙速度为每秒7.9公里,达到此速度的物体可以绕地球旋转,与地球引力达到平衡,既不下坠也不脱逃;第二宇宙速度为每秒11.2公里,这是地球的逃逸速度,达到此速度的物体可以摆脱地球引力,飞向宇宙;第三宇宙速度为每秒16.7公里,这是从地球出发,摆脱太阳引力所需的速度,也被称为逃逸速度。
为了不被太阳的引力拉入其炽热的怀抱,地球不得不疲于奔命地逃亡。
地球正以每秒约30千米的高速度运行。这个速度刚好与太阳的引力达到平衡,也就是我们所说的环绕速度。
根据太阳和地球的质量与距离计算,地球目前轨道的运动速度为每秒约30千米,是一个环绕速度。
如果地球的速度达到每秒42.2公里,太阳的引力将无法束缚地球,地球将逃离太阳系。但地球似乎并不急于提升速度以逃离太阳的引力,而是满足于现状,围绕太阳公转,持续了四十多亿年。
实际上,地球的环绕速度并非一成不变,会根据地球与太阳的距离自行调整。
而包括地球在内的所有太阳系行星的公转速度,都继承了太阳系形成时吸积盘的角速度。行星们是在太阳形成后,由吸积盘内的残骸聚集而成。
这些行星保留了吸积盘原有的旋转角速度,在太空中无阻力的环境下持续旋转,既不能摆脱太阳的引力,也无法坠落。
宇宙中的所有天体都是如此。只有当它们的轨道异常或受到其他引力的扰动,才会偏离轨道,坠向更大的引力源。
正如我们地球每天遭受陨石和流星的撞击,这些小天体碎片因为不规则的运动误入地球的引力范围,最终被地球引力捕获。