在宇宙當中,存在著無數的天體。一些人類的探測器曾經拍攝過這些天體的樣子,從照片當中,我們會發現,這些天體好像是飄在太空當中。就拿地球來說吧,1968年,美國的阿波羅8號曾經在環繞月球的軌道的上,朝著地球拍照,這張照片後來也被叫做:地出。
從這張照片中,我們就會發現,地球好像是懸浮在太空中的一樣。類似的照片還有非常多。比如:2017年10月2號,人類的探測器OSIRIS-REX飛行到距離地球大概500萬公裡的地球,然後朝向地球和月球的位置,給地月系統拍攝了一張全家福。在這張全家福當中,地球和月球就好像是浮在太空中的一樣。
而我們在地球上,朝向夜空中看去時,天空中發光的星體實際上也好像是掛在了夜空中一樣。這一點其實和我們在地球上的經驗是不一樣的。在地球上,任何的物體都會向下墜,這就像是常識一樣。也因此,古人一直認為宇宙遵循著一套物理學理論,而地球遵循著另一套物理學理論。
不過,牛頓提出了不同的觀點,他認為宇宙遵循的物理學理論和地球上遵循的物理學理論是一樣的。不僅如此,牛頓提出了牛頓三大定律和萬有引力定律,從理論上統一了宇宙和地球表面的物理學規律。
既然牛頓已經統一了這兩者,要知道地球的質量達到了60萬億億噸,為什麼地球就可以懸浮在太空當中,而不是像在地球上的物體一樣往下墜?
牛頓理論
要了解這個問題,我們可以從牛頓的理論來入手。在地球上之所以會出現物體都向下墜的情況,主要是因為地球引力和地球自轉使得物體有「離心力」共同導致的,這個合力的方向是豎直向下的。
牛頓的理論讓我們知道,萬事萬物在不受力或者合力為零的情況下,物體要麼勻速直線運動,要麼靜止。而如果受力,物體就會產生一個加速度。在地球上,這個受力的方向是豎直向下的,而產生的加速度的方向也是豎直向下的,這就使得在地球上的物體總會有向下墜的趨勢。所以,「向下」的方向實際上是合力的方向。
不過,地球的情況和地球表面的情況是不一樣的。要知道,地球的下方是不存在著任何力對其進行拖拽的,甚至我們可以說,地球並不存在一個「下」的方向。如果非要說,地球要有一個「下」的方向,那也應該是地球的受力方向。
如果我們對地球進行受力分析,我們就會發現地球受到的「力」主要是引力,有來自於太陽的引力,也有來自於月球的引力,還有來自於其他行星的引力。這其中太陽對於地球的引力是佔據主導的。因此,如果地球非要有一個「下」的方向,也應該是朝向太陽的。
那麼問題來了,為什麼地球沒有墜入太陽呢?
這主要是因為地球具有一定的初速度,使得在太陽的引力作用下,繞著太陽作圓周運動。如果地球沒有這個初速度,那它就會墜入到太陽當中,最終被太陽所吞沒。
愛因斯坦的廣義相對論
牛頓的理論被稱為經典物理學。如今對於引力現象的主流解釋是愛因斯坦的廣義相對論。愛因斯坦在狹義相對論當中,統一了時間和空間,他認為這兩者其實是一碼事,我們不能將兩者分離開來看,而應該結合起來看,把它們並成為時空。我們所生活的世界就是一個四維時空。
而廣義相對論則是對狹義相對論的一次推廣。在廣義相對論當中,愛因斯坦認為,引力並不存在,引力現象的本質實際上是時空的彎曲。我們來舉個例子,太陽由於質量巨大,彎曲了周圍的時空,地球是沿著時空的測地線在運動,從我們的視角就是地球繞著太陽在轉。
因此,地球確實不會下墜,這是因為它實際上是被時空的測地線「託住」了。如果從四維時空來看,地球實際上是在走直線,而且還是勻速直線運動,滿足的是牛頓第一定律。在四維時空當中,並不存在一個使得地球「向下墜」的力,或者說時空的彎曲並沒有讓地球向下運動。因此,地球也就不會向下墜。