地球的質量為60萬億億噸,太陽的質量更是達到了2000億億億噸,這麼大的質量,按理說非常重,為什麼它們可以懸浮在太空中,而不是向下墜落呢?
太陽系中行星的公轉軌道基本上都處於同一個平面,看起來似乎地球等行星懸浮在太空中。包括太陽和地球,宇宙中的一切天體似乎都自由自在地懸浮在太空中。莫非有什麼神秘力量在下面拖著?
根據日常的生活經驗,物體的質量越大,也就越重,越難脫離地表。地球上的物體之所以存在重量,就是因為存在地心引力。地球是一個球體,而地球上所有的物體都要受到這個指向地心的吸引力的作用。蘋果會掉向地面,就是地心引力的作用。
除非有額外的力能夠抵消引力,否則它們都會掉向地面。鳥兒和飛機能飛,就是因為有一個向上的浮力在託舉著它們。
太空人能夠懸浮在太空中,處於失重狀態,是因離地面很遠,受地球引力影響弱,並且他在繞地球高速運動,產生了一個離心力,抵消了地球的引力。太空飛行器一般離地面數百公裡遠,並且運動速度要達到第一宇宙速度(7.9千米每秒)才能不掉向地面。
一切有質量的物體都存在引力,質量越大,引力越強。地球和太陽等一切天體在宇宙中都要受到引力影響,引力的大小與距離的平方成反比。
同理,地球能夠懸浮在太空中,也是因為它在繞太陽高速運轉,公轉速度高達每秒30公裡,所以才沒掉到太陽上去。太陽其實也在動,它除了會自轉,還會帶著太陽系的一乾兒女繞著銀河系中心旋轉,公轉速度更是高達250千米每秒。就連銀河系也在繞著室女座超星系團的質心公轉,至於室女座超星系團則是繞巨引源公轉。
小至衛星,大至超星系團,好似宇宙版的俄羅斯套娃,其實一切都在引力的支配下永不停息地運轉。沒有運動的天體都已經掉進引力中心了,所以剩下的天體都懸浮在太空中。
此外,在宇宙中根本沒有絕對的上下之分,方向都是相對的,上下只是相對於引力方向而言的。我們在地球上認為的下方,只是地球引力的指向。而地球是個球體,地球上不同位置的向下方向都是不同的。
在太空中,物體都處於失重狀態,哪還有什麼上下之分。它們就算要「下墜」,方向也是指向引力中心,而不是不存在的下方。地球要下墜,也只能墜向太陽。它們之所以能飄在太空,是因為公轉速度合適,產生了足以抵消引力的離心力。
而根據愛因斯坦的廣義相對論,引力實質上是一種時空彎曲的表現,天體把時空壓出了三維狀態的凹陷(如下圖)。
質量越大,對時空的彎曲越大,引力也就越強。因為時空彎曲,小質量的物體的運動方向被改變,所以才會掉向大質量的物體。總之,物質的分布決定時空如何彎曲,時空決定了物質如何運動。