引言:我們在地球上的時候,無論是在地下的負一層,還是在摩天大樓的最高層,我們感受到的重力都是一樣的。甚至我們在乘坐飛機的時候,飛機的高度達到了近一萬米的高空也一樣。但為什麼太空人一去到宇宙,就會失重了呢?
有些人可能覺得飛機的高度還不足以體現引力的衰退,認為到了只要到達幾十千米的高空引力就會迅速地消退。甚至還有人覺得,既然地球的大氣層那麼厚重,就一定是大氣層隔斷了地球的引力。或者有人認為,引力的衰頹並不是線性的,而是到了某一界限,引力就會突然消失。其實這些想法都不是正確的。引力並不是像是磁力,或者力一樣,在力的特性曲線上有一定的範圍。引力是一種長程力。它永遠不會憑空消失,也不會憑空產生,引力的範圍可以延展到無限遠的地方。
其實有上述那些不正確的想法也不意外,因為在一些關於航空航天的視頻或者圖像中,太空人總是飄浮在空氣中,處於一種失重狀態。而且一些不嚴謹的書籍中,還會直接說人類在宇宙中就會失去重力,其實這是一種錯誤的說法。有人就會疑惑了,剛才你不是說太空人在宇宙中會失重,那為什麼失去重力就變成錯誤的說法呢?就好像甲狀腺疾病「大脖子病」一樣,我們稱呼它為大脖子病醫生就知道是甲狀腺腫大這種疾病,但是如果描述它為脖子會變大的疾病就是錯誤的一樣。
其實我們只要用牛頓經典力學中的第二定律就可以很好的解釋這個問題。如果我們對人類做一個受力分析,在地球上,無論我們之所以能夠感受到重力,是因為無論我們在做什麼事情,都會受到一個向下的重力。我們站在地上的時候,我們會感受到地面給我們的支持力。當我們跳起來的時候,我們就只會感受到一個重力。但是太空中,太空人雖然表面上看起來是不動的。但是實際上,太空人所搭乘的宇宙飛船正在以一個非常高的速度環繞地球。
我們在高中的物理課本上可以學習到,當一個物體在做圓周勻速運動的時候,它會受到一個離心力。雖然太空人看起來是靜止的,但是實際上是在做高速的勻速圓周運動。就像你在坐高鐵一樣,除了我們能感受到高鐵在加速,其他的時候無論是三百的時速還是五百的時速,我們都無法感知出來,因為我們已經處於一個平衡狀態了。而太空人比在地球上的我們多受到了一個離心力,根據離心力的計算公式,我們會發現剛好等於太空人所受的重力。也就是說,太空人在宇宙並不是失去重力,只是多了一個力與它抵消罷了。
神舟九號在太空運行的時候,女航天員劉洋曾經給我們在太空中直播做一個稱量物體質量的試驗,我們會發現雖然方法不一致,但是稱量的結果卻和在地球上的一樣。但是在宇宙中,我們所受到的引力卻是會變小的。因為根據萬有引力公式,相同情況下,物體所受到的引力與它的質量呈正比,與它的距離的平方呈反比。從中我們會發現,距離的增加會使引力衰減得特別快,距離增加兩倍,引力就會衰減四分之一。