在宇宙当中,存在着无数的天体。一些人类的探测器曾经拍摄过这些天体的样子,从照片当中,我们会发现,这些天体好像是飘在太空当中。就拿地球来说吧,1968年,美国的阿波罗8号曾经在环绕月球的轨道的上,朝着地球拍照,这张照片后来也被叫做:地出。
从这张照片中,我们就会发现,地球好像是悬浮在太空中的一样。类似的照片还有非常多。比如:2017年10月2号,人类的探测器OSIRIS-REX飞行到距离地球大概500万公里的地球,然后朝向地球和月球的位置,给地月系统拍摄了一张全家福。在这张全家福当中,地球和月球就好像是浮在太空中的一样。
而我们在地球上,朝向夜空中看去时,天空中发光的星体实际上也好像是挂在了夜空中一样。这一点其实和我们在地球上的经验是不一样的。在地球上,任何的物体都会向下坠,这就像是常识一样。也因此,古人一直认为宇宙遵循着一套物理学理论,而地球遵循着另一套物理学理论。
不过,牛顿提出了不同的观点,他认为宇宙遵循的物理学理论和地球上遵循的物理学理论是一样的。不仅如此,牛顿提出了牛顿三大定律和万有引力定律,从理论上统一了宇宙和地球表面的物理学规律。
既然牛顿已经统一了这两者,要知道地球的质量达到了60万亿亿吨,为什么地球就可以悬浮在太空当中,而不是像在地球上的物体一样往下坠?
牛顿理论
要了解这个问题,我们可以从牛顿的理论来入手。在地球上之所以会出现物体都向下坠的情况,主要是因为地球引力和地球自转使得物体有“离心力”共同导致的,这个合力的方向是竖直向下的。
牛顿的理论让我们知道,万事万物在不受力或者合力为零的情况下,物体要么匀速直线运动,要么静止。而如果受力,物体就会产生一个加速度。在地球上,这个受力的方向是竖直向下的,而产生的加速度的方向也是竖直向下的,这就使得在地球上的物体总会有向下坠的趋势。所以,“向下”的方向实际上是合力的方向。
不过,地球的情况和地球表面的情况是不一样的。要知道,地球的下方是不存在着任何力对其进行拖拽的,甚至我们可以说,地球并不存在一个“下”的方向。如果非要说,地球要有一个“下”的方向,那也应该是地球的受力方向。
如果我们对地球进行受力分析,我们就会发现地球受到的“力”主要是引力,有来自于太阳的引力,也有来自于月球的引力,还有来自于其他行星的引力。这其中太阳对于地球的引力是占据主导的。因此,如果地球非要有一个“下”的方向,也应该是朝向太阳的。
那么问题来了,为什么地球没有坠入太阳呢?
这主要是因为地球具有一定的初速度,使得在太阳的引力作用下,绕着太阳作圆周运动。如果地球没有这个初速度,那它就会坠入到太阳当中,最终被太阳所吞没。
爱因斯坦的广义相对论
牛顿的理论被称为经典物理学。如今对于引力现象的主流解释是爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦在狭义相对论当中,统一了时间和空间,他认为这两者其实是一码事,我们不能将两者分离开来看,而应该结合起来看,把它们并成为时空。我们所生活的世界就是一个四维时空。
而广义相对论则是对狭义相对论的一次推广。在广义相对论当中,爱因斯坦认为,引力并不存在,引力现象的本质实际上是时空的弯曲。我们来举个例子,太阳由于质量巨大,弯曲了周围的时空,地球是沿着时空的测地线在运动,从我们的视角就是地球绕着太阳在转。
因此,地球确实不会下坠,这是因为它实际上是被时空的测地线“托住”了。如果从四维时空来看,地球实际上是在走直线,而且还是匀速直线运动,满足的是牛顿第一定律。在四维时空当中,并不存在一个使得地球“向下坠”的力,或者说时空的弯曲并没有让地球向下运动。因此,地球也就不会向下坠。