太空是真空，為什麼地球大氣卻沒有被吸走？愛因斯坦又怎麼解釋？

2020-10-18 星辰大海種花家

地球有一個厚厚的大氣層，地表的大氣壓相當於每平方釐米一千克力，當然在八大行星中大氣層並非地球獨有，比如金星就有一個氣壓超過地球將近90倍的大氣層，從地球的一個大氣壓到金星的90個大氣壓，再到「木星」們的數千個甚至更高的大氣壓，但真空大氣壓幾乎就是零，這麼高壓力的大氣為什麼沒有被真空吸走？

天體為什麼能吸引住大氣？

古希臘人認為，世界由土、水、氣和火四種元素所組成，四種元素中，土和水比較重，其天然處所在下因而它們有向下的天然運動；氣和火比較輕，其天然處所在上，因而它們有向上的天然運動！

這是古希臘人早期對於物質的理解，其實這也將引力也混淆在內了，但對於引力的概念，一直到1500多年以後的克卜勒發現行星三大運動定律，都還沒有搞清楚天體為什麼是這樣運行！在牛頓搞清楚了萬有引力後，所有的天體運動才變得明朗起來！

而且克卜勒行星三大定律可以通過萬有引力推導出來而降格為定理，當然這不是壞事，因為人類認識了更深層次的科學！

天體的環繞與逃逸速度，如何才能逃離地球？

牛頓發現萬有引力後他就已經考慮過怎麼樣離開地球了，因為地球是一個球體，那麼只要以足夠高的速度在地球上運動時，其圓周圓周運動產生的「離心力」就可以等於甚至超過重力，實現環繞地球運動而不落回地球上！

當然現實是必須在一定高度繞行，否則大氣層產生的阻力會非常大，無法保持這個速度！因此由這個「離心力」=引力的公式，可以簡單推導出第一宇宙速度，也就是環繞速度是理想狀態下，不考慮大氣阻力的速度！繼續加大速度則可以達到第二宇宙速度！實際操作大都是火箭快速送上高空離開大氣層，同時達到第一宇宙是速度。

分子運動論

知道引力和第一宇宙速度，就能明白大氣壓那麼高卻不會逃入太空了嗎？其實還不行，因為只能用萬有引力解釋氣體被吸引在地球上不夠直觀，為什麼氫氣就容易逃逸，而氧氣則會留在地球上呢？

十九世紀是熱質說向分子熱運動論的重大轉變過程，科學界漸漸接受了溫度其實是微觀粒子的運動在宏觀的表現，科學家對氣體運動的研究，也了解了我們看到的乖乖的氣體，其實都在不斷運動中，而且速度還不小！

氫氧分子的運動速度

這些氣體在分子因為運動速度很高，所以它們都很活潑，而且在地球大氣層中，除了對流引起的風和氣旋等運動外，還會受到太陽輻射的轟擊，這會讓它們的原子獲得極高的速度，最終將超過地球的環繞速度甚至逃逸速度，慢慢向太空逃逸！地球大氣層中就有一個逸散層，這裡的大氣原子都因轟擊在高速運動中，所以它們的溫度很高，也非常容易逃逸！

地球上每年都會因為這種狀況向太空逃逸幾十萬噸大氣，當然也不需要擔心某天大氣會跑光，因為在磁場的保護下，這個逃逸量還不足以改變地球的大氣環境，因為地球大氣總量高達6000萬億噸，而每年從太空進入地球的水和其它物質也高達幾十萬噸，這些物質的其中部分也會補充大氣，即使不補充，大氣層也跑不光，所以各位還是不必過於擔心！

廣義相對論下的引力與時空

其實在牛頓萬有引力中解釋地球為什麼會吸引住大氣，為什麼又有大氣從地球逃逸是完全沒有問題的，但對於普通人來說完全不夠直觀，因為需要理解一個天體引力的過程，但很多朋友仍然無法理解一個氣球為什麼在真空中不會散開！因此我們在這裡引用一個廣義相對論的引力概念，大家一看就明白了！

1859年法國數學家勒維耶在計算水星軌道時發現其觀測值和計算值有一個每百年38"的誤差，當時以為在水星和太陽之間還存在一顆行星，並且將其命名為祝融星，但很顯然不存在這顆行星，所以找尋沒有任何結果！

1916年愛因斯坦獨立完成的廣義相對論發表，以引力彎曲空間的全新方式解釋了引力，廣相認為引力是質量在時空中的，當質量在彎曲空間中運行時，它的表現方式會和牛頓萬有引力的平直時空存在很大的差異！

廣相下的時空

為什麼金星和地球等其他行星計算時沒有那麼大誤差呢？那時因為這些天體距離太陽足夠遠，產生的誤差已經可以到忽略的程度，因此只有在水星軌道的近日點時產生的誤差才足以讓勒維耶發現！也許這就是我們的幸運，假如水星軌道距離足夠遠，那麼愛因斯坦廣相驗證的方式也許要晚上好多年！

水星軌道示意圖

引力彎曲空間

更準確的說引力彎曲的不只是空間，而是時空，因為在空間彎曲的同時時間也被改變了，在三維空間中的引力彎曲其實不太好理解，但好歹也要試圖理解下！

質量在時空中運動產生的影響

質量會對周圍的時空產生非常大的影響，質量越大，扭曲越誇張，一直到一個黑洞產生，在其視界內產生到現在科學家都不知道的扭曲級別，這一點在三維空間中的二維平面上表現是最容易理解的！

引力彎曲時空的簡單示意

中心質點就相當於行星，周圍的凹陷就是時空，而丟出去的那個小球就是衛星，它的運動方式是沿測地線運動的，而空氣被吸引的含義就是自然的因為重力梯度效應包圍在行星周圍！就像倒一瓢水，它自然就在中心附近蓄積！

所以空氣呆在這個凹陷內非常自然的，而從這個凹陷跑出來需要輸入能量讓它們加速逃離，因此這就是它們寧願積聚在一起產生很高的大氣壓也不願意跑到空空如也的太空，這就是地球為什麼能吸住空氣的真正原因！

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