在短暂的人生旅途中,我们所度过的大部分时光被地球这颗蓝色星球所围绕,我们的视线所及之处,都是这颗星球赋予我们的直观体验和日常生活法则。



然而,地球在浩瀚的宇宙之中,仅仅是一粒尘埃,这使我们难以直接揭示宇宙的奥秘,也使得我们的直觉和日常生活经验在很大程度上是局限的,缺乏充分的可靠性。

那么,在地球上,我们每日所见是怎样的呢?

直观地讲,我们感到万物皆向地面坠落,上下之分清晰可辨,头顶为上,足下为下,这便是我们的直觉感受。



由此,直觉引领我们确信:一切物体定会向下坠落。艾萨克·牛顿,这位物理学的泰斗,便由这一直观感受启示出万有引力定律,揭示了引力无所不在的真理——任何两个物体间皆存在引力作用。

引力的存在让我们能够在地面上稳健地行走,我们的直觉也始终告诫我们,物体始终受到地球的吸引,朝向地面坠落。

但疑问随之而来,地球的质量高达60万亿亿吨,如此庞大的质量却能在太空中飘浮长达45亿年之久,这是为何?地球何以不坠落?



实际上,这类问题的产生,往往源于我们认知的局限,换言之,是对地球状态的误解。

在地球这个有限的空间内,我们建立了上下之感。但当我们步入广袤的太空,所谓的上下概念便不复存在。在宇宙中,任一物体或空间位置彼此等价,方向之分不过是我们人为设定的产物,因此,“地球下坠”这样的说法失去了意义。

在太空中,上下之分并无实际意义,地球即便想下坠,但何处为下?

然而,如果答案止步于此,显然不是我的科普初衷,我们还需进一步了解与问题相关的其他方面。

比方说,万物为何皆在移动?这看似简单的问题背后,潜藏着诸多基础的物理规律。



在物理课上,我们早已学过牛顿的三大定律,其中第一定律,即惯性定律,阐明了任何物体在不受外力或合力为零时,会保持静止或匀速直线运动。换言之,力并非物体运动的起因,而是改变其运动状态的诱因。

在地球上,我们日常所见的物体下坠,正是因为受到了地球的引力作用。同理,地球在宇宙中的运动状态之变,也与它所受的外力密切相关。

若地球在太空中未受任何外力或合力为零,那么它会保持静止或匀速直线运动,运动方向则无关紧要,因为在太空中,方向的概念本不存在。

然而,我们知晓,地球所处的太空并非空空如也,尤其是质量庞大的太阳,它在地球附近,以其强大的引力作用影响着地球,正是这种引力,使地球围绕太阳运转数十亿年。

由于受到太阳的引力,地球的运动状态自然不会是静止或匀速直线运动。



那么,地球的运动轨迹又是什么呢?理论上,受太阳强大引力作用,地球应朝太阳移动,最终落至太阳表面。这与地球上物体落向地面的情形并无二致。

然而,事实并非如此,尽管受到太阳引力,地球并未坠入太阳,而是持续环绕太阳做圆周运动——尽管轨迹非完美圆形,而是椭圆形。何以至此?为何地球未因太阳引力而坠入其表面?

答案显而易见,尽管地球不断受到太阳引力作用,但在运动中,地球还拥有一个与引力方向垂直的切线速度,这确保了地球在朝太阳坠落的同时,能够避免与之相撞,总是错开太阳。

因此,实际上,地球确实在持续坠落,其坠落方向正是太阳的中心。但由于地球还具有与引力方向垂直的速度,其坠落并不是完全意义上的自由落体。



举一个简单的例子,有助于我们理解地球的运动与坠落——牛顿大炮,这个著名的思想实验,亦是人类发射绕地卫星的理论基石。

实验内容如下:在高山之巅置一巨炮,向水平方向发射炮弹,我们观察到炮弹终究会坠落至地面。而当炮弹的速度越来越快,其飞行距离也随之增加。

我们有理由相信,当炮弹速度达到某个临界值,它将不再触及地面,转而绕地球飞行,成为地球的一颗卫星。如今我们得知,这个速度即为第一宇宙速度,每秒7.9公里。

尽管炮弹并未坠落至地面,我们不能否认它实际上一直在朝地面坠落,只不过在水平方向上的足够速度使其不断错开地球。想象一下,若炮弹不朝地面坠落,其最终会飞离地球。

然而,在发射卫星时,人类并非如此简单操作,牛顿大炮仅提供了理论基础。实际上,我们会先将卫星垂直发射,至一定高度后,再调整火箭方向,使其与垂直方向形成一定夹角,以此赋予卫星足够的水平速度,提高效率。

大炮与地球的关系,便如同地球与太阳之间的关系,地球犹如一颗超级大炮。



不仅地球,宇宙间所有天体的运动规律均是如此,我们的太阳也受到更大天体的引力影响而坠落,那就是位于银河系中心的超大质量黑洞,其质量约为太阳质量的400万倍。

然而,太阳同样在高速运转,因此不会坠至超大质量黑洞之上,而是围绕其运转,一圈需时约2.5亿年。



银河系之上,是本星系群,再往上为室女座超星系,拉尼亚凯亚超星系团,直至可观测宇宙的边界。

最后的疑问:我们的可观测宇宙是否也在围绕某物运动,是否也在坠落?这一问题已超出我们目前的认知范围,但随着科技水平的持续提升,未来的某一天,或许我们将找到答案。

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