你想過嗎?為什麼星星是漂浮在宇宙中的?

宇宙中的天體不能漂浮,或產生這種疑問,其實都是人們直覺上的一種誤解,因為我們生活在地球表面,在地球上繁衍和進化,我們已經習慣了所有的物體都被牢牢地控制在地面上,在地球上沒有任何東西可以不依賴於地面的支撐力而存在。


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你可能會想那飛機和鳥兒就可以離開地面,而它們只是因為空氣給了其向上的浮力,但空氣也是依賴於地面的支撐力,飛機和鳥兒會通過空氣間接的將自身的重量傳遞到地面上。所以我們已經習慣了任何東西在沒有受到支撐力而下落的情況。


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在1687年牛頓提出萬有引力之前,我們在地球上所看到的情況,真的很難解釋為什麼所有的天體都可以“漂浮”在天空上,而且還做著規律的運動。但這種奇怪的現象也需要要得到解釋,因為在古希臘時期人們就提出了這樣的觀點,他們認為我們的世界,也就是地球上的一切物質都是由四種基本元素組成的,分別為土、水、氣、火。較重的元素,例如:土和水,就會依次沉降、而較輕的元素,如氣和火就會漂浮在較重的元素上。


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以上的說法貌似是解釋了我們在地球上所看到的一切現象,但是它解釋不了宇宙中其他天體為什麼漂浮在宇宙中,以及它們為什麼會運動等,這些本質性的問題。在當時人們心中的太陽系模型還是地心說,這套理論雖說能解釋一些我們觀察到的天體運行規律,但是它並給不出具體的原因。


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1543年哥白尼在其臨終前發表了《天體運行論》,首次質疑了統治人類幾千年的地心說,日心說的出現雖然給了人們更加準確和簡單的太陽系運行模型,但是也沒有解釋天體運動的本質問題,甚至哥白尼的日心說在當時還沒有托勒密的地心說對太陽系運行的描述準確。因為哥白尼認為所有天體的軌道都是完美的正圓形。


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雖說日心說的出現一開始並沒有讓大眾得以接受,因為其缺乏數學支撐而且對太陽系的描述並不準確。但是有一個人堅信哥白尼是正確的,並且繼承了哥白尼和自己老師(第谷·布拉赫)的衣缽,在1609到1619年間發表了行星運行三大定律,完美的解釋了太陽系中當時所觀察到的一切運動現象。但是開普勒並不是清楚為什麼天體會互相運動,他也不清楚為啥天體能漂浮,而地球上的一些東西都要下落。


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其實以上的所有問題,現在看來都不是問題,因為人類科學史上一代偉人牛頓的出現可以說解決了人類當時能觀察到的一切物理運動,小到地球上的馬車、飛機,大到太陽系中所有天體運動的本質,乃至整個星系的相對運動都可以用牛頓理論(引力和三大定律)來解釋。

在地球上所有的物體想要相對的靜止不動,受到的淨外力都需要為零,也就是說力的存在是物體運動的本質,沒有受到淨外力的物體它就會保持自身初始的運動狀態,這包括靜止和勻速直線運動。所以勻速直線運動和靜止都是物體本身固有特性,它們兩個任何一個都沒有特殊之處。


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我們生活在地球上,所有物體會下落只是因為受到了力的作用,而這個力正是地球的引力,我們能穩定地待在地面上也是因為引力和地面的支撐力相互平衡。而引力的存在也給我們人類一種方向感,所以我們在地球上規定出了上下左右或者東南西北。反觀宇宙中的天體,我們就拿地球來說,它在太陽系中受到最大的力就是太陽的引力,因此它可以在引力的作用下一直繞太陽運行,其實也是在一直往太陽的方向墜落,但由於地球有一個很高的沿軌道上的切線速度,所以地球一直在墜落,但一直會錯過與太陽表面相撞。


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如果我們降低地球沿公轉軌道上的切線速度,那麼地球就會螺旋靠近太陽,也就是墜落在太陽表面。換句話說,所有在其軌道上運行的天體,都在向自己的引力源墜落,但是是水平切線上的速度又導致了與引力錯過。

如果我們把地球從太陽系中拿出來,放進空曠的星系空間中,那麼地球本身就不會受到任何力的左右,那麼根據牛頓理論,一個不受力的物體會一直保持自身初始的運動狀態,地球要麼靜止不動,要麼勻速直線運動。

總結一下


你想過嗎?為什麼星星是漂浮在宇宙中的?


人類的直覺都是在地球上形成的,地球上的環境造成了我們直覺上的錯誤,認為物體只要漂浮肯定是受到支撐力,沒有支撐力就會下墜。但是對於宇宙來說,漂浮才是常態,因為沒有力就沒有運動,而運動只是受到了力的作用。並且在宇宙中沒有方向一說,方向這種說法完全是人類的感覺和定義,在宇宙中任何方向在物理學上都是等價的。並沒有下墜這麼一說,因為就沒有下這個方向,而只有運動。


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