隨著科學(xué)的快速進步,人類對于宇宙和宇宙之中的各個天體都有了了解,當(dāng)然科學(xué)家們研究最多的還是地球。在經(jīng)過周密的計算之后,得出了地球的重量,足足有60萬億億噸左右。
人們在看宇宙星體的圖片時,總覺得宇宙當(dāng)中的一切天體都是漂浮著的,好像宇宙是一片巨大的黑色海洋,而各個天體像塑料小球一樣漂浮在其中。那么地球為什么不會墜落呢?其他星球墜落過嗎?其實早在很久之前,物理學(xué)家就給出了答案。
地球是孕育人類生命的搖籃,也是太陽系的八大行星之一。經(jīng)過我們長時間的宇宙探索,暫時并未發(fā)現(xiàn)其他行星之上有生命的存在,所以以我們目前的認知來說,地球是太陽系行星之中唯一有生命存在的星球。
地球是太陽系之中質(zhì)量、直徑、密度最大的類地行星,除了地球以外,水星、火星、金星也是類地行星,目前人類對于火星的探索欲望最為強烈。地球的基本構(gòu)造由內(nèi)到外分別是地核、地幔、地殼、水圈、大氣圈。據(jù)推測地球是由于數(shù)億年之前氫分子云的引力坍塌形成的,坍塌之后形成了中心點為太陽,周邊行星環(huán)繞太陽的太陽系,從距離太陽的遠近上來說,地球位于第三。
地球不僅像其他行星一樣有圍繞太陽公轉(zhuǎn),還在不斷地自轉(zhuǎn),自轉(zhuǎn)周期一周約為23小時56分。通過衛(wèi)星攝像發(fā)現(xiàn),地球是自西向東不斷地在旋轉(zhuǎn)。因為有了公轉(zhuǎn),地球上有了一年四季,而自轉(zhuǎn)使得晝夜輪替??茖W(xué)家們在數(shù)億年前,地球上并無生命的存在,而是隨著自身不斷地演化,植物、動物、人類才開始相繼出現(xiàn),以目前地球的年齡來說,依舊是一顆十分年輕的星球。
將地球與同為類地行星的星球?qū)Ρ群?,會發(fā)現(xiàn)地球的優(yōu)越性。地球上不光有所有生命賴以生存的空氣和水源,還有大氣層形成了一道天然屏障,為地球抵擋住了來自宇宙的一些威脅,也保留住了溫度,讓人類如同溫室中的花朵,在這里安全快樂的生活著。
牛頓是家喻戶曉的物理學(xué)家,他通過觀察蘋果的墜落推測出了重力和萬有引力的存在,解釋了數(shù)千年來人類對于為什么果實墜落不是飛向天空而是砸向地面的疑惑。而我們也意識到我們能夠平穩(wěn)地站立在地面之上正是由于萬有引力和重力相互作用,比如飛入太空的宇航員就一直處于失重的狀態(tài)下,這就是失去引力的表現(xiàn)。
萬有引力的發(fā)現(xiàn)是17世紀(jì)自然科學(xué)的重要成果,因為它不止說明了地球上物體的運動規(guī)律,更將這種運動規(guī)律放入了宇宙天體當(dāng)中,同樣適用,對于宇宙學(xué)探究的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。
首先牛頓指出,地球?qū)τ谔O果有吸引力,然后經(jīng)過類比推斷的方法,指出地球上的所有東西相互之間都有吸引力。在對于地球上的一切都解釋得通過后,牛頓又將自己的思維發(fā)散到了宇宙當(dāng)中,他思考那么是不是宇宙之中的天體相互之間也具有吸引力呢?
針對這一想法,牛頓先證實了下雪、下雨這些氣象中晶體的墜落也是與引力有關(guān)的。不然我們可能會看到好萊塢電影中雨滴在空中靜止不動,然后突然向上空飛去的玄幻畫面。最終,通過隕石的墜落,牛頓判定宇宙中各個天體之間都有引力存在。
地球為何不會墜落的原因正在這里,太陽作為太陽系中的核心存在,對于地球有著巨大的引力,而地球正是在太陽的這種吸引力作用之下,一直懸浮在宇宙之中,并且不斷地圍繞太陽公轉(zhuǎn)。同樣,其實除了地球之外,太陽系中的其他行星也是這樣被太陽吸引,然后不斷地公轉(zhuǎn)。并且除了太陽對地球有引力以外,各個行星之間其實也有引力存在的。
我們的好伙伴月球,正是受到了地球引力的吸引所以在圍繞著地球做公轉(zhuǎn)運動,但是它其實同時也受到了太陽的引力,牛頓還推導(dǎo)出這兩種引力之間存在著二均差等。月球被地球吸引以后成為了地球的天然衛(wèi)星,其他行星也在運動過程當(dāng)中吸引周邊的一些小行星,作為自己的伴星,繞著自己做公轉(zhuǎn)運動。
到這里,大家可能還是覺得萬有引力只是一個概念,那么接下來我們可以利用人造衛(wèi)星的原理來具體形象的理解萬有引力的存在。
牛頓的學(xué)說問世成熟之后,各國都開始積極研究,最后一部分國家成功以萬有引力定律為基礎(chǔ),探索出了發(fā)射人造衛(wèi)星的原理。
其實很簡單,將人造衛(wèi)星理解成一個小球,通過一根線捆綁起來,一端在地球上,一端在小球上,然后牽引著繩子開始對小球做圓周運動。當(dāng)轉(zhuǎn)到一定速度時,小球不會墜落,并且會在地球引力的作用之下開始圍繞地球做圓周運動。而這里的速度7.9km/s,之后也被稱為宇宙第一速度。
人造衛(wèi)星正是基于小球運動的原理,被發(fā)射出地球之后,一直在繞行地球做圓周運動。人造衛(wèi)星可以說是萬有引力的完美應(yīng)用成果之一,人類可以通過人造衛(wèi)星觀察到整個地球的樣子。所以我們不難推導(dǎo)出目前太陽系中天體的運動規(guī)律,像地球這樣的大行星在圍繞著太陽公轉(zhuǎn),而月亮這種被地球吸引到的伴星,不僅會圍繞著主星公轉(zhuǎn),同時也跟著主星圍著太陽轉(zhuǎn)。
那么可以說,太陽系中最巨大的引力來源就是太陽,太陽基本上處于固定不動的狀態(tài),地球不會墜落的原因正是一直在被太陽牽引著,像前文中舉例提到的那條線一樣,兩端分別連著太陽和地球。
牛頓的萬有引力概括出地球上和宇宙間的一切都是存在引力的,但是對于兩個物體之間為何可以產(chǎn)生引力的問題卻一直沒有解釋。愛因斯坦的廣義相對論,對于這個問題就做出了合理的回答。
在了解廣義相對論的論述之前,我們需要先知道兩個非常容易被混淆的概念,就是因為地球上的一切引力都是因為地球本身的吸引,所以人們覺得萬有引力是向下的,而重力也是向下的,這時就會把這兩個力的概念混為一體。
重力是由于地面附近的物體受到地球的萬有引力而產(chǎn)生的。由于地球在不停地自轉(zhuǎn),地球上的一切物體都隨著地球的自轉(zhuǎn)而繞地軸做勻速圓周運動,這就需要向心力。這個向心力只能來自地球?qū)ξ矬w的萬有引力,所以重力和向心力其實都是物體所受萬有引力的一個分力。
在充分理解萬有引力的概念定義之后我們再來看愛因斯坦對于萬有引力是怎么樣重新定義的。在廣義相對論當(dāng)中是這樣說的,“一個有質(zhì)量的物體,會使得它周圍的時空發(fā)生彎曲,在這個彎曲的時空當(dāng)中,一切物體都會自然地沿著側(cè)底線進行運動,并且表現(xiàn)出靠攏的樣子,人類肉眼看不出這種時空彎曲,所以我們以為是萬有引力的作用。”這一說法解釋了萬有引力的來源,我們可以說萬有引力正是源于時空彎曲效應(yīng)。
所以依據(jù)愛因斯坦的相對論,宇宙空間其實也處在時空彎曲之中,在這種彎曲之后,行星之間出現(xiàn)了所謂引力,相互牽引做著規(guī)律的運動。那么向下墜落就是不可能的了,一是并沒有人可以解釋出宇宙的下端究竟在哪里,二是處于這樣一個引力作用范圍之中,就算質(zhì)量再重也不可能墜落的,而且雖然我們看到60萬億億覺得地球很重,但是和其他大型行星相比,地球并不算重。
科學(xué)家們經(jīng)過研究,推測在銀河系當(dāng)中存在超質(zhì)量的巨大黑洞,這種黑洞對于周邊的行星天體具有著巨大的吸引力,是無法逃脫的。黑洞的密度是大到光都無法逃脫的程度,這或許就是人類把它稱之為黑洞的原因吧!它足以吞噬我們認知中的一切,連我們認為速度最快的光都一樣。
而墜入黑洞的行星,時間和空間都會在墜入那一刻被終結(jié),更不要說生命和文明了,會在宇宙中永遠消失。黑洞的巨大引力使人畏懼,如果銀河系中存在著這樣的一個巨大黑洞,會不會有一天地球也被吸進去了?而對于這種無法抗拒的引力,我們需要做些什么,才能逃脫呢?
地球可以安然無恙地懸掛在宇宙中,是因為萬有引力的存在。我們能安穩(wěn)地在地面上生活也是因為萬有引力的存在。由此可見,引力是一種非常重要的作用,可是月球上也有引力,宇航員卻只能夠漂浮在空中,因為相較地球而言,月球的引力實在是太小了。
天體運動的規(guī)律還是有跡可循的,只要人類愿意鉆研探索,那么總有一天我們可以解開宇宙中所有的謎題。所以我們要對未來抱有積極樂觀的心態(tài),即使有一天太陽熄滅,引力消失,我們也可以提前找尋到別的家園。
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