太阳和地球都非常重,为何它们不向下坠落,而是飘在太空中?
地球的质量为60万亿亿吨,太阳的质量更是达到了2000亿亿亿吨,这么大的质量,按理说非常重,为什么它们可以悬浮在太空中,而不是向下坠落呢?
太阳系中行星的公转轨道基本上都处于同一个平面,看起来似乎地球等行星悬浮在太空中。包括太阳和地球,宇宙中的一切天体似乎都自由自在地悬浮在太空中。莫非有什么神秘力量在下面拖着?
根据日常的生活经验,物体的质量越大,也就越重,越难脱离地表。地球上的物体之所以存在重量,就是因为存在地心引力。地球是一个球体,而地球上所有的物体都要受到这个指向地心的吸引力的作用。苹果会掉向地面,就是地心引力的作用。
除非有额外的力能够抵消引力,否则它们都会掉向地面。鸟儿和飞机能飞,就是因为有一个向上的浮力在托举着它们。
宇航员能够悬浮在太空中,处于失重状态,是因离地面很远,受地球引力影响弱,并且他在绕地球高速运动,产生了一个离心力,抵消了地球的引力。航天器一般离地面数百公里远,并且运动速度要达到第一宇宙速度(7.9千米每秒)才能不掉向地面。
一切有质量的物体都存在引力,质量越大,引力越强。地球和太阳等一切天体在宇宙中都要受到引力影响,引力的大小与距离的平方成反比。
同理,地球能够悬浮在太空中,也是因为它在绕太阳高速运转,公转速度高达每秒30公里,所以才没掉到太阳上去。太阳其实也在动,它除了会自转,还会带着太阳系的一干儿女绕着银河系中心旋转,公转速度更是高达250千米每秒。就连银河系也在绕着室女座超星系团的质心公转,至于室女座超星系团则是绕巨引源公转。
小至卫星,大至超星系团,好似宇宙版的俄罗斯套娃,其实一切都在引力的支配下永不停息地运转。没有运动的天体都已经掉进引力中心了,所以剩下的天体都悬浮在太空中。
此外,在宇宙中根本没有绝对的上下之分,方向都是相对的,上下只是相对于引力方向而言的。我们在地球上认为的下方,只是地球引力的指向。而地球是个球体,地球上不同位置的向下方向都是不同的。
在太空中,物体都处于失重状态,哪还有什么上下之分。它们就算要“下坠”,方向也是指向引力中心,而不是不存在的下方。地球要下坠,也只能坠向太阳。它们之所以能飘在太空,是因为公转速度合适,产生了足以抵消引力的离心力。
而根据爱因斯坦的广义相对论,引力实质上是一种时空弯曲的表现,天体把时空压出了三维状态的凹陷(如下图)。
质量越大,对时空的弯曲越大,引力也就越强。因为时空弯曲,小质量的物体的运动方向被改变,所以才会掉向大质量的物体。总之,物质的分布决定时空如何弯曲,时空决定了物质如何运动。