在沒有重力的太空中,天文學家是怎樣測量到太陽比地球重33萬倍?

2020-11-29 天文在線

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如果因為沒有來自地球的引力在太空沒有重量,我們如何知道太陽的重量是地球的33萬倍?

好吧,問題的三個部分都暴露了誤解,讓我們解開這個問題。

第一,這並不是說你在太空中沒有重量。當你現在在太空中,自由落體時是失重的。國際空間站的太空人們在做自由落體運動。因為他們和他們的飛船以同樣的速度下落,所以飛船不會擠壓他們的腳,也不會產生重量感。

第二,這並不是說沒有來自地球的引力——肯定有來自地球的引力。如果沒有,太空人就不會在軌道上。正是引力使它們得以繞地球運行。月球離地球的距離是國際空間站離地球的距離的一千倍,月球當然受到來自地球的引力。如果不是,它就不會繞地球運行。

第三,這並不是說太陽的重量是地球的33萬倍。它的質量相當於33萬個地球的質量總和。質量是一種不受引力影響的性質。重量等於質量乘以重力加速度。

重力是質量存在的結果。由於質量大,地球在其附近產生重力加速度,使物體朝著地球質心的方向加速。這種加速度隨著距離的增加而減弱,但正如月球所示,它並沒有消失。

太陽的質量比地球大得多,在其附近產生更大的引力加速度——足以使強大的木星被困在圍繞太陽的軌道上。

問題是在地球上,我們認為重量和質量是一樣的。他們不是!這種區別在太空中非常重要。一旦你明白了兩者的區別,你的問題的答案就很簡單了。

質量是每個物體都具有的性質。宇宙中的任何地方都是一樣的。我們用千克(或克等)來測量它。美國人常用英鎊來計算。

當你漂浮在太空中,想要遠離任何主要的引力源,如果你的質量大就會讓你很難被推動,你可能需要一個巨大的火箭。如果你只有一個小質量需要推動,小型火箭可能就足夠了。

太陽的質量大約為1989000000000000000000000000000(1.989*10^30)千克。

重量是對物體的引力。在地球上,你的體重就是地球對你的引力有多大。它的單位是牛頓。美國人常用英鎊來計算。

如果你漂浮在遠離地心引力的地方,談論你的體重就毫無意義了。也許地球正輕輕地牽引著你?但是木星、太陽、你左邊的另一顆恆星也是如此……很多東西都在輕輕地牽引著你。因此,你可以說你是「失重的」。

但是你仍然有質量!

因為我們在地球上有一些壞習慣。

我們說著粗話,我們用手拉著變速杆開車,我們有時穿著睡衣度過幾天。是的,我們經常把重量等同於質量。

事實上,我們都會這樣做,即使你是量子物理學家。想想有多少次我們討論汽車、拳擊手或一袋糖的重量時都使用克,磅,噸等來表示這些答案呢?

上述問題的答案始於這樣一個事實,即質量和重量的概念,在科學術語中,是兩個非常不同的概念。讓我解釋一下。

向量和標量

簡而言之,標量是固定值,而向量具有方向分量。

噢,是的。速率和速度也不是一回事

來自:標量和向量

質量和重量

質量是用質量單位(克、盎司、磅、公斤、噸等)表示的標量,這個值不變。如果你的質量是70kg(大約145磅),那麼你在地球上、月球上、木星上、太空中、太陽表面和黑洞的中心都有這個質量;70千克的物體到處都是70千克。

另一方面,重量是一個矢量;它是力和方向的單位。它以力的單位表示,最常見的單位是牛頓。是的,是的,這意味著我們都做錯了。我們大多數人都知道,重力是質量和加速度的乘積。決定我們的體重在地球上,這將是我們的質量(再次使用我們微弱的70公斤質量)乘以重力常數(在地球上約9.81),你會得到一個總686.7牛頓的力施加到地球表面。每次你站起來的時候,你至少要產生這麼大的向上的力,否則你就會摔倒在地。

如果你在月球上,引力常數比地球小六倍,你在月球上的重量將比在地球上輕六倍(約114牛頓)。實際上,這意味著你將需要小六倍的力量來站起來,你會感到比地球輕六倍。這一現象適用於任何天體,只要你所處的天體質量比地球小。

在木星這樣的天體上,情況正好相反。木星比地球重得多,它的引力常數大約是地球引力常數的2.4倍,因此你將在行星表面施加大約1650牛頓的力。因此,你需要1650牛的力才能站起來,這樣你會感覺更重。

漂浮在太空中,你不施加(或幾乎不施加)力,因此你感到失重。

這個問題的答案是,太陽的質量是一個標量——不管它在宇宙的什麼地方——但是你的重量很大程度上取決於你的位置。

為什麼我們要這麼做呢?為什麼我們在地球上經常交換使用「質量」和「重量」的概念?為什麼要把標量和向量混淆呢?答案是,無論出於什麼目的,對於外行人來說,它們是一樣的。它現在是我們語言的一部分,儘管它在科學上是不準確的。當有人問你一袋米的重量,一個職業拳擊手或一個海運貨櫃的重量時,他們的意思是他們需要這個物體的質量。

這個故事的寓意就是在物理學中,一定要弄清楚哪些術語是適用的。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.quora-J.Smiley

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