太空是真空，為什麼地球的大氣沒有被吸走？愛因斯坦又怎麼解釋？

2020-10-18 星辰大海種花家

地球有一層厚厚的大氣這點大家都知道，太空從宏觀意義上來說就是真空這也沒錯，大氣沒有被真空吸走這就是一個非常明顯的結果，因為地球有引力嘛，它將大氣牢牢的吸附在地球周圍，不會讓真空將它吸走，但這種方式實在不太好理解，我們今天來個廣義相對論下的解釋，一目了然記憶深刻！

牛頓萬有引力最輝煌的時代

要將這個問題解釋清楚，我們必須要來捋一捋引力的認知歷史。哥白尼發現了數千年以來日心說的BUG，推出了偉大的日心說，將人類對宇宙的認識提升了一個層次！而克卜勒則在他老師第谷大量觀測的基礎上總結出了行星運行三大定律，值得提醒一下的是儘管第谷是克卜勒的老師，不過他並不認同日心說，但難能可貴的是第谷非常尊重觀測。所以克卜勒發現的行星三大定律不能忘記第谷的功勞。

  • 牛頓力學的輝煌時代

牛頓則在他們的基礎上發現了能夠讓行星保持束縛關係運動的萬有引力，他發現這種引力和地面上讓物體落下的力是一樣的，牛頓統一了天上和地下的力學。而這只是開始，因為更輝煌的時代遠未到來。

拉普拉斯將萬有引力體系下的天體力學發揮到了極致，他證明了行星軌道大小的周期性變化，這就是著名的拉普拉斯定理，後他又證明了攝動效應是守恆和周期性的。在19世紀初他出版了巨著《天體力學》則是經典天體力學經典之作。

曾經拿破崙問在他的著作中上帝的位置在哪裡，拉普拉斯肯定而又不失風度的回答「陛下，在我的假設中不需要這樣的假設」！科學從來沒有像拉普拉斯面對拿破崙那樣自信過，史上可能就只有拉普拉斯有這樣的輝煌時刻。

勒維耶則在十九世紀中葉通過精確的計算確定了海王星的位置，而柏林天文臺則在他計算相差無幾的位置發現了海王星，這絕對經典力學另一個被世人津津樂道的時刻。但經典力學很快就顯現出疲態，因為經典力學的根基出現了問題。

  • 萬有引力的隱憂

在勒維耶算出海王星軌道的時刻那個種子就埋下了，因為勒維耶這天才過了沒多久就拿水星150年的觀測資料和計算做對比，結果發現存在一個100年38'的進動差，勒維耶以為水星軌道內有一顆行星在影響軌道，科學界將這顆不存在的行星命名為祝融星，曾經尋找祝融星也是一個非常流行的任務，但很顯然並沒有。

而關於引力傳遞的以太的漂移則被以太狂熱愛好者麥可遜和莫雷兩個人的實驗證明不存在，當然這個驚世駭俗的結論誰都不敢下，大家還在忙著驗證到底是實驗設備出了差錯還是真的沒有以太，甚至洛侖茲給出了解釋但仍然抱著以太不放。因此在實驗已經證明以太不存在的情況下，這個假設仍然被不斷引用，甚至在後來興起的量子力學中還能找到以太的身影。

愛因斯坦廣義相對論如何解釋引力？

命中注定拋棄以太這個偉大的決定需要愛因斯坦來作出，愛因斯坦在1905年推出了狹義相對論，並且用了十年的時間推廣到了在所有參考系下都適用的廣義相對論。廣相的場方程非常複雜，但對於引力的解釋卻非常簡單。

  • 引力質量在時空中的表現

時空有一種非常特殊的性質，它可以被壓縮，也可以被擴張，而質量能完成壓縮時空的重任，因此在質量體周圍會有一個引力場梯度變化的空間，其他質量體進入這個區域的表現就是被吸引，假如要用通俗的語言來表達的話，就是質量體會沿著這個時空的凹坑掉進來，而它走的路線就是引力場中的測地線，這和它的初始速度以及角度有關係。

  • 地球的大氣為什麼沒有被真空吸走？

用牛頓的萬有引力來解釋會很費勁，但廣義相對論下來解釋非常容易，引力彎曲了時空，使得質量體周圍出現了一個高密時空的區域，對於質量來說這是一個坑，而中心的天體就是坑底，如果質量體在這個引力梯度空間中，那麼自然就會像中心掉落，因為根據最低能量原則，它是無法在沒有支撐作用下保持在高處的！

因此在這個區域中的大氣，它會自然掉落在質量體周圍，真空想要將它吸走可不那麼容易！那麼為什麼大氣不會像水一樣掉落地表呢？這是一個好問題，因為託氣體分子運動的福，也有氣體密度分布的問題，因此大氣在地球上的表現是吸附在地球表達月100千米以內的區域，分布密度隨高度降低而增加，但廣義上的大氣層範圍也許高達數萬千米，甚至頂層可以將月球包括在內。

主要的逃逸不是由真空所導致，而是太陽光讓高層大氣分子達到了逃逸地球的速度而散逸在宇宙中，當然真空確實有關係，但卻不是主因！

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    在生活的小常識中，我們都知道有這樣一個現象存在：那就是將一個很堅固的瓶子空氣抽走後，瓶子裡面肯定是真空環境，如果換做是普通瓶子，也許外表早已被擠壓扁，這也說明了瓶子內有很強大的吸力。當我們打開瓶蓋時，會出現真空會將空氣吸走的現象，這看起來確實是可以成立的例子。
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