為什麼天體都漂浮在宇宙中,而沒有往下掉?

最早的引力理論

如果我們現在隨便翻一張宇宙的圖片,很可能看到的就是在虛無的宇宙空間中,有許多天體似乎“漂浮”在上面。

為什麼天體都漂浮在宇宙中,而沒有往下掉?

當然,這一類的圖片大部分都是藝術加工過的,只有極少數是真實拍攝的。不過,看到這些圖,就會讓許多產生一種想法,為什麼這些天體是“漂浮”在宇宙上的,而不會下墜。

這個事的不怪我們有這個疑問,事實上,如果我們僅僅在地球上觀測,在沒有任何現代科學知識的情況下,就會有這樣的疑問。古希臘人對此很納悶,因為在地球上,我們看到的是地球萬物都在朝著地面落,但是太空當中,天體就沒有向下的趨勢,而是繞著某個天體在轉。

於是,當時的人提出了一套理論,他們認為月球以下的世界,包括地球在內,是由水火土氣四種元素構成的,其中水和土比較重,有往地面墜落的趨勢,火和氣比較輕,會遠離地面,但不會跑到月球以上的世界。

為什麼天體都漂浮在宇宙中,而沒有往下掉?

月球以上是由以太構成的。這就把天界和地球的物理規律分開,天界不需要符合地球的規律,因此,也就不會有下墜的情況。這套理論其實最終納入到了地心說理論當中,是地心說的一部分。我們也可以把它理解成最早的引力理論。

為什麼天體都漂浮在宇宙中,而沒有往下掉?

這也被稱為亞里士多德的世界觀,其中有一個要素就是力是維持物體運動狀態的原因。翻譯過來就是你想要一直跑,其實就得一直輸出力。

牛頓的萬有引力理論

後來科學逐漸發展,以哥白尼為代表的一群學者提出了不同的看法,這在歷史上也被稱為哥白尼革命。不過,那個時代出現了許多的科學理論,一直沒有能夠得到統一。直到牛頓出現後,這些新出現的知識才被有機地結合到一起,同時,牛頓還證明了萬有引力定律。

為什麼天體都漂浮在宇宙中,而沒有往下掉?

並且把地球上的物理學和宇宙天體運動的規律統一了起來。這套路理論可以解釋當時所見到的絕大多數的物理學現象,並且還能預測。牛頓也因此躋身科學史上最偉大的科學家之列,只有愛因斯坦可以與其比肩。

根據萬有引力定律和牛頓三大定律,我們知道,力是改變物體運動狀態的原因。地球上的東西會掉落到地面其實是因為有地球引力的作用。而地球之所以繞著太陽轉,是因為太陽和地球之間有引力的作用,並且由於地球有一定的初速度,才使得地球繞著太陽在轉。

為什麼天體都漂浮在宇宙中,而沒有往下掉?

我們在地球上,總有“向下落”的感覺本質上是來自於引力作用,是有力的作用導致的。如果我們分析一下地球,地球其實受到的都是引力,其中最大的引力來自於太陽,然後是其他的天體。總體來說,地球的受力方向是指向太陽的,也就是說,對於地球來說的“向下落”是指向太陽的方向。

為什麼天體都漂浮在宇宙中,而沒有往下掉?

我們視覺上地球的“下方”,其實沒有任何力的作用,地球自然也就不會向下墜了。

愛因斯坦的廣義相對論

當然,我們還可以用另外一個角度來理解這個問題。我們都知道,如今的引力理論其實是廣義相對論,牛頓的引力理論只適用於弱引力場,而愛因斯坦的理論更具有普適性。那如何來用廣義相對論理解這個問題呢?

這要從狹義相對論說起,愛因斯坦通過光速不變原理和相對性原理推導出狹義相對論,在這個理論當中,他統一了時間和空間,他認為兩者都會受到運動狀態的影響,時間和空間不應該被分離開來看,而應該被結合起來,並稱為時空。而我們生活在的就是四維時空,其中是一維的時間和三維度的空間。

為什麼天體都漂浮在宇宙中,而沒有往下掉?

後來,愛因斯坦要把狹義相對論進一步地進行推廣,他就發現,根本不存在引力,實際上引力現象的本質是時空的彎曲。我們以地球為例,地球壓彎了周圍的時空,而月球其實是沿著時空的測地線在運動。(測地線類似於二維平面中的直線,也就是時空中兩點之間最短的距離。)說白了,就是貼著時空在運動,也就是沿著時空的“直線”在動。

為什麼天體都漂浮在宇宙中,而沒有往下掉?

同樣的道理,地球之所以繞著太陽轉,也是因為太陽壓彎了周圍的時空,地球是沿著時空的測地線在運動。

因此,地球以及其他的天體,是沿著時空的測地線在運動的,所以它們沒有向下的可能性,它們已經是貼著時空的“地面”在運動了。

總結

因此,天體看起來像是懸浮在宇宙當中,本質上是因為我們生活在地球上的一種錯覺。牛頓體系中,力是改變物體運動狀態的原因,地球對於地球表面的物體的有吸引力,所以我們才有物體都會“下墜”的感覺,但太空中,引力的方向並不是我們視覺上的下方,而是在天體之間的連線上,那地球的受力方向其實朝向太陽的。而地球視覺上的“下方”,實際上不存在力,也就不會下墜了。如果從愛因斯坦的理論來理解,實際上天體已經是貼著時空在運動了。


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