许多人心中曾有过这样的困惑:地球那般沉重,为何没有坠落呢?你是否曾思考过:假设地球打算下坠,它该向何处坠去呢?
地球的质量高达60万亿亿吨,质量并不等同于重量。重量是在重力场中衡量的,不同的重力场中,相同质量的物体重量不同。例如,月球上6公斤的物体,其重量感觉上只有1公斤,因为月球的引力仅是地球的六分之一。
质量是物体的固有属性,不会随环境改变,它代表物质的多少,通过天平来衡量。无论在地球上还是月球上,1000克的棉花和1000克的黄金在质量上并无二致。
我们日常生活所提及的上下左右,在太空中并无实际意义。
在地球上,我们所称的“下”,实则是指向地心。地心引力对我们施加牵引作用,形成重力,使我们无法脱离地球。我们习惯上将这一方向称为“下”。
然而,在脱离地球的太空中,引力源所指向的方向便是“下”,反之则是“上”。与此同时,我们的左手方向便是“左”,右手方向则是“右”,这便是人类所定义的上下左右。
在太空船内,一旦停止加速,船上的乘员会体验到“失重”状态,在机舱中飘浮。实际上,此时已无上下左右之别。
尽管如此,乘员们仍旧有上下左右的感觉,是因为飞船内人为定义了这些空间方位。
如果太空中不存在上下左右,那么地球又将向何方“沉降”呢?谁能给我一个方向,指引我在太空中何为上下左右?
事实上,太空中虽然会出现“失重”现象,但并非全无重力。
严格来说,太空中也存在各式各样天体的引力影响,只是这种影响极其微弱,以至于难以察觉。
万有引力作为一种长程力,在理论上可触及无限远。换言之,即便抵达天际,地球的引力依旧存在。只不过,引力与距离的平方成反比,距离越远,引力衰减得越厉害,直至在一定距离外,连最精密的仪器都无法探测。
但在太阳的引力场内,一切都在太阳的掌控之下。太阳系中的八大行星,还有诸多矮行星、卫星以及无数小行星,均在太阳引力的作用下围绕太阳公转。
如前所述,人类将受引力源影响的方向称作“下”,那么由于地球被太阳引力牵引,因此太阳方向被称为“下”。
但是,地球为何没有坠入太阳的“下方”呢?
这里就涉及到了速度与引力平衡的原理——离心力。
根据爱因斯坦广义相对论,万有引力实则是质量导致时空弯曲所呈现出的现象。
任何物体都会在其周围造成时空扰动,而这种扰动在周围形成时空旋涡和陷阱。
小物体经过大质量天体时,便会被大天体的时空旋涡吸入,表现为受到引力的吸引。
对抗这股引力旋涡的唯一方式便是速度。速度越快,越能摆脱引力旋涡。这就是离心力与引力之间的抗衡。
如同一艘快速驶离水中旋涡的船只,速度越快,越容易逃脱。
地球上有三个速度:第一宇宙速度为每秒7.9公里,达到此速即可围绕地球旋转,与地球引力保持平衡;第二宇宙速度为每秒11.2公里,这是地球的逃逸速度;第三宇宙速度为每秒16.7公里,它能让物体脱离太阳的引力,即逃逸速度。
为了不被太阳拉入其炙热的怀抱,地球不得不持续快速移动,其速度约为每秒30公里。这个速度仅与太阳引力达到了平衡,即环绕速度。
根据太阳与地球的质量和距离计算,地球目前轨道的速度约为每秒30公里,正是环绕速度。
如果地球的秒速度达到42.2公里,太阳引力便无法束缚地球,地球将逃离太阳系。
然而,地球似乎并无意于此,也无法提升速度以逃脱太阳的引力。它满足于现状,围绕太阳公转,已经持续了四十多亿年。
实际上,地球的环绕速度并非一成不变,而是会根据地球与太阳的距离自动调整。
所有太阳系行星的公转速度继承了太阳系形成时吸积盘的角速度。行星在太阳形成之后,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,并在太空中无阻力地持续旋转,既不能逃脱太阳引力,也无法坠落。
宇宙中的所有天体皆是如此,唯有当天体的轨道出现异常或受到其他引力干扰时,才可能脱离轨道,坠向更大的引力源。
例如,地球每日都遭受陨石和流星的撞击,这些小天体碎片由于不规则的运行而误入地球的引力范围,最终被地球引力捕获。
这就是地球为何没有坠落的原因。