如果地球在宇宙中運動,為什麼我們絲毫沒有感覺?

2020-12-05 科學翻譯官

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。

我們感覺不到地球在太空中飛行,主要是因為我們和地球同處於一個運動系統中,就像你坐在高鐵上,如果你不去看窗外的景色你也感受不到高鐵正在高速行駛。又或者曾經你在座上高鐵時,是否有種錯覺,你不清楚是你身處的高鐵在動,或者是旁邊的高鐵在動!

圖:2005年8月2日,水星信使號宇宙飛船在引力的幫助下掠過地球時,拍下了幾張令人震驚的地球照片。信使號的水星雙成像系統(MDIS)使用廣角相機拍攝了數百張照片,並將其連續排列起來,記錄了信使號離開地球時的景象。

地球每24小時繞地軸自轉一圈,每年繞太陽公轉一圈,而整個太陽系圍繞銀河系以每秒220公裡的速度公轉,銀河系加速向仙女座星系靠近,仙女座星系本身相對於大爆炸留下的輻射移動。然而,對於習慣了在地球上的經歷的人來說,我們根本感覺不到。

圖:如果你在移動的汽車上把你的四肢伸出窗外,當空氣衝過來的時候你會感到一種力量。如果速度加倍,這種力量也會增加。如果你相對於空氣處於靜止狀態,你就不會感受到任何力。

這個力的存在只是因為你的手在外面。從物理角度,是因為手以一個相對的速度運動撞向空氣分子。相反,如果您關閉了車窗,您的手根本不會感到任何力。因為車內的空氣相對於你的身體是靜止的。只有當兩個物體相對運動時,你才能感覺到力。

圖:行星圍繞太陽運行,太陽以不同的運動方向在星系中移動。

當我們在宇宙中運動時,我們沒有傳感器可以用來檢測這個運動的影響,因為因為我們與地球同步加速運動。就像你在關上車窗、平穩行駛的汽車裡感覺不到自己在運動一樣,只要你也與地球相連,你就感覺不到地球在宇宙中移動。這個現象愛因斯坦早在100多年前就已經知道了。他意識到,物體運動的任何變化都似乎是一種加速度,而所有形式的恆定加速度很難與萬有引力區分。

愛因斯坦稱它為等效原理,並且等效原理說明了任何加速參考系的加速度原因都不可能由內部系統的一個物體決定。換句話說,如果你也是地球的一部分,地球在加速,那麼你也會加速,這就是我們將無法感受地球運動的原因。

伽利略從比薩斜塔上扔下來的球是垂直下落的,而不是由於地球自轉而落在後面,因為地球的大氣層是隨著地球的運動而運動的。

圖:一個球在加速火箭中(左)和在地球上(右)軌跡相同(等效原理)

即使你不在地球上,這種現象也會發生。比如在國際空間站上,你肯定具有加速度。因為大地拉著你;太陽和行星拉著你;銀河系和宇宙的其他因素也會對你施加引力,這些力使你加速。但同樣的力也會導致你周圍的所有物體,包括和你在一起的其他太空人,物體,空間站本身產生和你一樣的加速度。你體驗到的其實是「自由落體」,其他物體也是如此。所有的東西相對於環境,並沒有力,因此沒有與環境不存在加速度,也就不存在相對運動。

圖:太空人和水果在國際空間站上

那就沒有什麼力和加速度是可以體現地球運動,跳出地球系統之外的?當然有,而且大部人體驗過,只是它太小了,所以你很難察覺到。雖然人類處於系統之中,不過地球是一個三維球體,而我們每一個個體都是位於它的表面的一個點上。所以相對於地球本身,我們能感受到的一些力與地球感受到的力有些不同。

例如:潮汐力,我們的腳在地面上,比頭更為接近地球的中心,這意味著來自地球的引力對你的腳稍微大一些。這可能還不足以引起我們的注意,但依此我們可以設計一個對引力的微小差異足夠敏感的實驗。第一個這樣的實驗室龐德-雷布卡實驗,它主要是想測試愛因斯坦的引力理論,從而也驗證了地球的運動。

圖:物理學家格蘭·雷布卡,在哈佛大學傑弗遜塔的下端,在著名的龐德-雷貝卡實驗的準備階段,他打電話給龐德教授。

另一個是潮汐對地球的影響。地球自轉,月球拉扯著地球的地殼和它周圍的海洋。當地球旋轉時,來自月球的引力作用在每個點上,導致海洋膨脹。

雖然你作為一個獨立的人,對力的變化不夠敏感,但你可以很容易地感受到潮汐的漲落,雖然地球是繞地軸自轉的,但是潮汐方向並非單一的。

圖:月球對地球施加潮汐力,這不僅引起潮汐漲落,而且不停地使地球自轉減速,結果就是24小時慢慢地就不是地球上的一天了。

最後,地球本身的旋轉也會產生了一種特殊的力,物理學家叫它科裡奧利力,所有物體都能感受到這種力。因為地球是相對於一個固定的位置旋轉的。沿其表面不同緯度上的點會受到一個輕微的力,引起額外的旋轉。

一個物體在北極或南極所受的力最大,這將使它比一個不在地球上的物體多經歷一個360度的旋轉。但兩個不同的半球的旋轉方向相反:北極的旋轉方向是逆時針,而南極的旋轉方向是順時針。對於在赤道的人來說,力降為零,而中緯度的人在一天中只能增加小程度的旋轉。

圖:科氏力對北緯45度旋轉的影響,請注意看兩次同一位置的箭頭。鐘擺要繞地球轉兩圈才能在這個緯度上做一次完整的旋轉。

1851年裡昂·福柯在法國做了一個戲劇性的實驗,他用一根長繩子把一個重物系在法國巴黎萬神殿的天花板上。讓它沿直線運動後,監測它一天的運動過程,發現它不停地擺動。時間一分一秒地過去,鐘擺顯然不是簡單地來回擺動,而是相對於萬神殿發生了旋轉。因此證明了地球本身是在旋轉的,科裡奧利力是真實存在的,而且關於地球旋轉的預言,實際上是源於一個更直接的、更容易觀察到的實驗。

圖:在西班牙馬拉加市的瓦倫西亞城,福柯鐘擺正在運動。隨著它的擺動與地球的旋轉,撞倒了地板上的各種釘子。

作為人類,我們身體上的力傳感器是原始的,只能在極短的時間內工作。想要體驗到地球的旋轉則需要一天的累積效應或者進行遠遠超出我們身體能力的精確測量。

地球的運動是真實的,而你感覺不到它的原因不是因為我們沒有移動,而是因為你的人體相對於地球本身處於恆定的、一致的運動中。如果有什麼東西從地球上對你施加一個不同的力,你會立刻感覺到它。如果是非常微小的力,長期持續的施加在你的身上,慢慢你會習慣。如果你想要讓它顯現,就需要一個比身體的感官更靈敏的儀器。簡而言之,這就是科學的一個重要部分,找到超越感官的方法去探索和了解宇宙。

相關焦點

  • 地球是漂浮在宇宙中,為什麼我們從來沒有頭朝下的感覺?
    大約在兩千多年前人類的先賢們正在探討大地的形狀,有很多智者就提出天圓地方的觀點,因為這是最符合實際觀測情況的,還有的認為我們的大地是被一隻烏龜馱著的,烏龜的下邊還是烏龜,這就是大家常聽說的烏龜塔模型。然而畢達哥拉斯並不認為大地是平的,因為他堅持著宇宙一定是和諧完美的觀點,認為地球應該是一個球形。在一次授課中畢達哥拉斯表達了這個觀點,這個時候有一個學生戰戰兢兢地站起來說:先生如果大地是球形的,那麼我們走著走著是不是會掉下去?現在看來這個問題是很可笑的,但是在那個時代這的確是一個不可繞過去的問題。
  • 為什麼我們感覺不到地球在運動呢
    地球和所有天體都在高速運動,為什麼我們感覺不到呢? 事實上,只要使用一個小彈簧天平或傅科擺,地球高速旋轉的現象就能被充分揭示出來。傅科擺是直觀的,但難以理解。彈簧秤更容易理解,也更直觀。 傅科擺是由地球自轉的科裡奧利力引起的一種現象,它圍繞振蕩中心旋轉。
  • 地球無時無刻不在運動,為什麼我們卻感覺不到?感覺不到就對了
    由於萬有引力在宇宙中普遍存在,因此宇宙中的各種天體都是高速運轉的,同樣,地球的自轉和公轉速度也是非常快的,那麼為什麼身處其中的我們卻感受不到地球的運動呢?首先那是因為人類對於地球來說實在太渺小了。因為人類的尺度太小了,因此地球這種天體的運動對人類來說是非常難感知的,如果人類長成上百米、上千米高的巨人,那就可以輕鬆地感受到地球的自轉和公轉了。
  • 地球無時無刻不在運動,為什麼我們卻感覺不到?感覺不到就對了
    由於萬有引力在宇宙中普遍存在,因此宇宙中的各種天體都是高速運轉的,同樣,地球的自轉和公轉速度也是非常快的,那麼為什麼身處其中的我們卻感受不到地球的運動呢?就拿自轉角度速度來說吧,地球每4分鐘才能轉1度,這樣的角度變化只有生活在宇宙中的巨人才能明顯看出來,生活在地球上的渺小的人類根本無法感覺得到。至於公轉角速度就更慢了,地球一天就自轉一圈,但是要花一年時間公轉,所以說,我們連自轉角速度都沒辦法感受出來,更不用說更慢的公轉角速度了。接著是因為沒有參照物。
  • 在宇宙中,地球以10萬公裡時速向前狂奔,為何我們沒有明顯感覺?
    由於萬有引力在宇宙中普遍存在,因此宇宙中的各種天體都是高速運轉的,就拿我們的地球來說,地球在宇宙中的運動分為自轉和公轉,地球的自轉速度是非常快的,根據科學家計算,地球的周長為4萬公裡,自轉一周需要24個小時,因此一個小時自轉速度為1667公裡,每秒的自轉速度為465米,這個速度有多快呢
  • 地球漂浮在宇宙中不停地自轉,為什麼我們從來沒有頭朝下的感覺?
    後者則為我們提供視野以及經驗驗證,兩者互相協調時我們對自身空間所在位置判斷準確,因此感覺舒適,當兩者不協調時就會感覺不適,比如坐船或者坐車時,很多朋友的前庭器官感覺比較敏感,而視覺器官卻得不到準確的位置信息,因此暈船或者暈車就成了必然
  • 地球轉動的速度明明很快,為什麼我們都感覺不到呢?可算是知道了
    導語:地球轉動的速度明明很快,為什麼我們都感覺不到呢?可算是知道了大家想必都在政治的課本上學過靜止和運動之間的問題吧,關於這個問題其實是有非常大的爭論的,有的東西它到底是運動的呢,還是靜止的呢?在一般的情況之下,我們如果沒有發生移動,我們就會覺得自己是處於靜止的狀態的。但是事實並不是想我們這樣理解的,雖然我們並沒有移動,可是我們的地球卻是無時無刻不在運動的,也就是所謂的地球自轉。那麼,看大家知道,地球在這個巨大無比的宇宙之中,運動速度有多快嗎?我們是否可以感受到地球的運動呢?首先,我們首先要知道地球的自轉速度是一個什麼樣的情況。
  • 為什麼我們感覺不到地球的轉動?
    地球每24小時自轉一次,在赤道附近,其自轉速度約為每小時1600公裡。地球帶你圍繞著恆星在一個巨大的圓圈裡晝夜旋轉,但你感覺不到它的轉動。因為你和其他一切事物(包括地球的海洋和大氣)與地球以相同的恆定速度一起旋轉。只有當地球突然停止旋轉,我們才會感覺到。就像乘坐在一輛快速行駛的車上,忽然有人踩剎車一樣!
  • 為什麼感覺所有的星球,在宇宙中都是漂浮的?
    如果從宇宙星空模擬圖片或者天文望遠鏡觀測到的所有星體,都是靜靜地處在宇宙中的一個相對固定的位置,也好像是漂浮的,這究竟是什麼原因呢?假如我們給它一個非常大的初始速度,讓其達到宇宙第一速度,即每秒7.9公裡,那麼它就會在垂直於地表的方向在最高點靜止或者繞著地球做圓周運動,從而實現了漂浮的目的。而在該速度之下,小球就會因地球引力作用向下墜落,這個墜落的過程和漂浮正好是我們感覺上的兩個相反現象,我們就有了「下」和「上」的感覺,其中「下」就是向著引力來源方向。
  • 量子糾纏裡的反向運動,在宇宙中是否存在一個與我們相反的人生
    不知道你在觀察時,有沒有一種感覺就是它們在微微轉動?據科學家研究,量子糾纏現象的詭異就是無論距離有多麼遠,哪怕是幾百上千光年的距離,有關聯的量子也是會相反地運動,絲毫不差。量子是微粒的運動。量子力學是微粒運動的規律。
  • 為何我們從來沒有感覺頭朝下?地球漂浮在宇宙中,而且不停自轉
    頭朝下有什麼感覺?為了能夠感到「頭朝下的感覺」,我特意倒立了5分鐘,才來回答這個問題,如果你問我現在是什麼感覺,我只會告訴你:腦袋很漲,很不舒服。感覺身體內的血液都衝頭部噴湧而來了,感覺臉變大了。除此之外,呼吸也感到略微困難。所以頭朝下的感覺就是:腦袋充血+呼吸困難的感覺。頭朝下時,身體內發生了什麼變化?
  • 地球為什麼能懸浮在宇宙中,而沒有掉下去?
    我們常看到許多宇宙的圖片,在這些圖片中,這些天體似乎都是懸浮在宇宙當中。所以,就給人一種錯覺,好像天體都是飄在宇宙當中。那事實真的是如此嗎?在牛頓第一定律中,我們知道,力是改變物體運動狀態的原因,一個物體如果所受合力為零,那它要麼保持勻速直線運動,要麼保持靜止狀態。我們再回過頭來看「星球漂浮在宇宙中」的案例,其實我們日常生活會有「東西都往下掉「的感受,本質上是因為我們受到了重力,比如:蘋果會從樹上掉下來,就是重力導致的。重力豎直向下的,所以我們才會覺得東西都會往下掉。
  • 光速擁有摧毀宇宙的力量,為什麼光撞上人體卻沒有感覺?
    引言:光速是宇宙極限速度,若一顆微小砂石以光速撞向人體,被撞者有什麼感覺?而若是一束光撞向人體,被撞者的感覺有何不同?說到光速,相信大家都不會感到陌生。而至於探索宇宙,更是遙遙無望,我們幾乎不可能解答「宇宙多大」、「宇宙是否有邊界」等謎題,因為我們根本不可能靠近宇宙邊緣,我們最多只能在太陽系中兜兜轉轉。對此,科學家表示,理論與規律只說明與規定了大多數情形,宇宙浩瀚,其內每時每刻都會發生許多不可思議的事情,若未來人類有機會把握出現在宇宙內的特殊事件或運用好宇宙空間內的部分特殊結構,實現光速飛行或不是難事。
  • 地球和所有天體都在高速運動,為什麼我們卻感受不到?
    從地心說到日心說有個非常有趣的比喻,在在大洋上,一條行駛無比平穩的大船內,四周沒有窗戶,那麼請問你能感覺到船在運動嗎?相信你無論做什麼實驗,你都無法發現船是在運動的,因為伽利略或者牛頓甚至愛因斯坦都已經反覆驗證過這個問題,所以你就從了吧!我們所在的地球就是一條這樣的大船,它在宇宙中穩定的行駛,除了偶爾會有自身板塊運動導致的顛簸以外,沒有任何其他的異動出現!
  • 地球在自轉,一般我們感覺不到,可如果我們站在極點之上呢?
    絕對的靜止在宇宙中是不存在的,宇宙間所有的物質都處於或快或慢的運動之中 對於一個物體而言,它的運動又是相對的,要指出一個物體的運動方式就必須要首先選定一個參考系。比如我們說一架處於飛行狀態的飛機在運動,此時我們是以地面為參考系而做出的描述,反過來,如果我們以飛機作為參考系,也可以說地面正處於相反方向的運動之中。
  • 我們正在以240倍子彈速度在宇宙中穿越,為什麼我們卻全然不知
    趣味探索訊 人類賴以生存的地球只是浩瀚宇宙中一粒微不足道的塵埃,在宇宙中的任何天體都呈現運動狀態,世界上沒有絕對靜止,只有永恆的運動。宇宙中地球每天都在運動著,地球除了每秒0.465公裡的速度自轉外,還以每秒29.79公裡繞著太陽公轉。
  • 地球在宇宙中的真實運動軌跡是怎樣的?
    在地球上,我們感覺地球表面相當平穩。然而,地球在宇宙中的運動非常快,甚至從某種意義上來說,已經超光速了,而且運動方式非常複雜。那麼,地球在宇宙中的運動方式是怎樣的呢?地球的運動速度到底有多快?作為太陽的行星,地球繞著太陽公轉,平均運動速度為每秒30公裡,繞行一圈的時間為1年。
  • 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。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。
  • 宇宙中有沒有不轉的天體?宇宙本身又是怎麼運動的?
    中學的科學書上就明確告訴大家,宇宙中所有天體都在不停的運動,地球在自轉的同時本身還以30千米/秒的速度繞著太陽公轉,太陽則帶著一幫小弟以120千米/秒的速度繞著銀心公轉,而銀河係數千億顆恆星卻正朝著一個叫做巨引源的神秘區域以超過600千米/秒的速度前進!更大範圍呢是怎麼運動呢?宇宙又是咋個運動呢?
  • 為什麼我們感覺不到地球在轉動
    地球每天都在轉動,你能感覺到嗎,為什麼我們感覺不到呢?小明坐在草地上,呆呆地想,老師說過地球在轉動,為什麼我感覺不到呢?其實呀 ,這和坐車感覺不到車在動是同一個道理,我們坐車時,在車內感覺不到自己在運動,只有看像窗外,才知道自己在運動,地球就像一輛大車,地球上的萬物就是車內的乘客, 地球這輛大車轉動時,在車內的我們當然感覺不到了。