是什么力量让天体都悬浮在太空中,它们会掉下去吗?

牛顿定律

“是什么力量让星球都悬浮在太空中,它们会掉下去吗?会掉到哪里去呢?”,其实会有这样的问题,还是因为没有彻底地理解牛顿定律。所以,我们可以先来简单聊一下牛顿到底说啥?

牛顿三定律概括下应该是这样的:

第一定律:力是改变物体运动状态的原因;

第二定律:力的作用效果是使得物体获得加速度;

第三定律:力是物体间的相互作用,力的作用是相互的。

我们主要关注第一条就可以,我们可以想象一下,为啥地球表面上的物体会有往地面上掉的趋势?按照牛顿理论,则是需要有个力从网下拽着。

其实这就是地球的“引力”,所以是有“力”的作用。

可太空并不是这样的,太空可没有某个“下面”的地方在给地球提供吸引力。因此,在太空中,其实失重的状态。

所以,我们是因为生活在地球上,所以才会觉得如果没有东西托着,东西就会往下掉,而忘记了之所以东西会掉落到地上是因为地球的引力。

在太空中吸引地球的,其实主要是太阳的引力,这是因为太阳的质量占到了整个太阳系的99.86%,而根据万有引力公式,万有引力与质量的成正比。所以,要说地球要动,也是往太阳的方向靠,而不是所谓的往下掉,毕竟“下面”也没有什么大型天体在吸引。

只是因为地球具有一定的初速度,所以,地球才是绕着太阳转,如果地球没有初速度,那结果肯定是掉入太阳当中。太阳受到的是银河系中心物质和银河系内暗物质的吸引力,所以太阳带着太阳系绕着银河系运动。

引力的本质

刚才,我们解决的是“地球不回往下掉的”的问题。不过,可能你也要问了,那引力到底是什么呢?其实对于“引力”的拷问,一点不亚于那些诸如“生命的起源”,“宇宙的起源”等终极问题。我们可以客观描述一下,引力所描述的现象。说白了就是很多天体都绕着大质量的天体在转动,而且这个转还有个特点,不仅仅是简单的圆周,而是椭圆轨道,

不仅是椭圆,这个椭圆轨道还会动。这也被我们叫做:进动。

不仅轨道会动,还天体们还都是绕着质心在运动。

对于这种现象,早期的学者是一头雾水的。直到牛顿出现,才解决了大部分的问题。牛顿的万有引力定律,其实能解决的是椭圆轨道的问题,也能解决绕着之心运动的问题。但是“进动”的问题,一直也没有解决好。

如果,你要问牛顿,引力的本质到底是什么?说实在的,他会跟你说:让后来的人去解决吧。因为他确实不知道。而且由于牛顿的万有引力定律当中没有时间参量,所以牛顿认为引力是一种超距作用,具体来说就是,引力的传播是瞬间完成的。如果太阳突然消失了,那太阳系所有的天体就会好像同时收到短信一样,同时都沿着轨道的切线方向飞出去。

关于引力的本质问题,在牛顿之后200余年,有个叫做爱因斯坦的科学家,开始着手研究,并提出了广义相对论。他认为,地球是“被迫”绕着太阳转的。为什么这么说呢?

他认为,时间和空间并不是分立的物理量,而是构成了三维时空,而光速就是三维时空的特殊属性。

至于引力,说白了就是因为太阳的质量特别大,扭曲了三维时空。

为了方便描述,我们把三维时空投影到二维来描述。那地球之所以会绕着太阳转,实际上太阳并没有施加了所谓的“引力”。而是地球在沿着自己的路径在运动,它其实就类似于地球在二维平面里走直线,这是符合牛顿第一定律的,只不过在三维时空中这条路径被太阳给扭曲了。

我们称这种运动叫做沿着三维时空的测地线在运动。只是,从我们的视觉上看,它是在绕圈圈,对于三维时空而言,它其实是在“走直线”。

所以,在广义相对论当中,爱因斯坦认为,引力的本质是时空的弯曲。而这个理论很好地解释了“进动”的问题,并且在描述引力时,与现实的误差甚至小于牛顿定律,也就是比牛顿定律还要精准。因此,爱因斯坦的广义相对论成为了诠释引力本质的主流理论。

所以,这也解决了开头的问题,其实地球是沿着自己的路径在运动,而这条路径看起来就好像是地球绕着太阳转一样,地球并不会掉到哪里去,因为它已经在“三维时空的地面上了”。