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地球重達60萬億億噸,為什麼不會掉下去,還能懸在太空中?

比肩魚 2021/09/11

地球承載著包括人類在內的各種生命以及物體,它就像一艘巨大的宇宙飛行,航行在太空中,帶著我們穿越空間,飛向星辰大海。地球直徑達到12742公里,重達6×10^24 kg,即60萬億億噸。那麼,這麼重的地球是怎麼浮在太空中,而不會掉下去呢?

首先,我們來說一說地球的質量是怎麼測出來的。想要知道地球有多重,不是一件容易的事情,因為我們在地球上沒辦法用一杆巨大的秤來直接稱出地球的質量。

直到牛頓的出現,才讓測量地球的質量變為了可能。1687年,牛頓提出了著名的萬有引力定律,地球上的物體都受到地心引力的作用。對于地表上任意一個質量為m的物體,都有如下的關係:

消去兩邊的m,然後再整理,就能得到地球質量M的計算公式:

上述公式中,重力加速度g很容易測出來,地球半徑R可以用幾何法測出來(西元前240年,古希臘數學家艾拉托色尼最早測出來)。唯一不知道的是萬有引力常數G,牛頓也不知道這個常數,所以他也沒法算出地球質量。

直到1798年,卡文迪許設計了一台十分精妙的扭秤,它能顯示出兩個鉛球之間發生了引力作用。基于此,他成功測出了萬有引力常數,這樣地球的質量也就被測出來了,所以他把該實驗稱之為「稱量地球的重量」。有了萬有引力常數,再結合牛頓力學,就能測出月球、太陽等各大天體的質量,也能知道銀河系以及其他銀銀河外星系的重量。

至于為何這麼重的地球能懸浮在太空中,這與太空飛船及其上面的宇航員能在太空中漂浮的原因相類似。有人可能會說,飛船在太空中失重,沒有引力作用,自然就能懸浮在太空中。

但事實上,太空中仍然會受到地心引力作用。宇航員與地面的距離通常只有400公里,這與6371公里的地球半徑相比短了很多,那裡的地心引力作用只會變弱為地表上的90%。

太空飛船受到向下重力的作用,也會不斷墜向地球表面。但由于太空飛船還以每秒數公里的橫向速度在快速運動,再加上地表是彎曲的,地心引力可以讓太空飛船的飛行軌跡完美契合地球弧線,所以飛船一直往下掉,但又剛好碰不到地表。飛船以及上面的宇航員一直在做自由落體運動,這造成了失重的感覺。

牛頓曾經設想過一種大炮,它可以朝著水準方向打出一定速度的炮彈。隨著炮彈的水準初速度變得越來越快,炮彈的飛行距離也會越來越遠。當速度達到某一臨界值時,炮彈就能飛越球形的地表,沿著圓形軌道一直在空中繞著地球飛行,不會掉下來,也不需要動力來維持。

事實上,牛頓大炮蘊含著太空飛船的運動原理。那個臨界值正是第一宇宙速度,通過牛頓力學可以算出為7.9公里/秒。為了避開稠密的大氣層,飛船需要進入太空中,與地表有一定的距離,所以實際速度會低一些。在400公里高的軌道上,飛船的飛行速度為7.7公里/秒。

在地球上,物體都有掉下去的趨勢,這是受到地心引力作用的結果,地心就是我們的下方。到了太空中,其實也有「下」的概念,地球也會往下掉,但也不會真正掉下去,這與太空飛船的飛行原理一樣。

太陽的質量佔據整個太陽系的99.86%,在強大的太陽引力作用下,地球以及其他各大行星都會被拉向太陽,太陽的中心就是整個太陽系的下方。但地球同時以大約30公里/秒的速度在快速運動,這能克服太陽引力作用,不會掉進太陽中,所以地球看起來像是懸浮在太空中。

同樣地,太陽也帶著整個太陽系的天體往下掉,下方就是位于2.6萬光年之外的銀河系中心。銀河系的質量至少是太陽的8000億倍,它們分佈在12萬光年的恒星盤中,共同在銀心形成了引力中心。

受到銀心的引力作用,整個太陽系會往銀心方向墜落。但太陽以230公里/秒的速度在飛行,這能對抗銀心的引力作用,避免整個太陽系掉進銀心之中。

如果從銀河系尺度來看,我們的銀河系也在往下掉。在250萬光年之外,質量是銀河系兩倍的仙女座星系對我們的星系施加了強大的引力作用,整個銀河系正在向它墜落。

這一次,銀河系的運動速度不夠快,相對于仙女座星系的速度為110公里,這不足以克服兩個星系間的強大萬有引力,所以銀河系最終會掉進仙女座星系中,或者說兩個星系最後會相撞。不過,由于距離遙遠,它們要在38億年後才會迎來真正相撞的那一天。


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