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宇宙天体为啥能飘在空中?为啥没掉下去?有什么神秘力量?

在我们的银河系中,一共有1000~4000亿颗恒星。在宇宙中,大约有20000亿个星系。

这些恒星和星系都有着自己的运行规律,有的靠近我们,有的远离我们。但是,它们无一例外的是,每一个天体都悬在宇宙空间中,没有任何的依托。

奇怪了,为什么这些天体能够飘在空中呢?它们为什么没有掉落下去呢?这个问题看起来有点无厘头,但我注意到很多网友都有这个疑问,今天就来和大家说说。这里面的门道,还真不少。

首先,咱们通常说到的某个东西“掉下去”,其本质不是向下运动那么简单,其实是由于受到地心引力的作用,朝着引力的源头——地心靠近的结果。只不过物体和地心之间隔着阻碍,也就是地面,所以它在坠落到地面的时候,二者的力达到平衡,停止了运动。整个过程在我们看来,就是物体掉落的动作。

总结一下就是:掉落是一个相对的动作,本质上是万有引力的结果。

在太空中,宇宙天体都处在微重力的环境中。如果它们要“掉”到什么地方去,那么就需要有一个更大的“地球”,通过引力吸引它们并使其在“地面”停止运动,达到平衡才可以。实际情况是,宇宙空间就是我们已知的全部,没有更大的“地球”能够容纳、吸引和承受所有这些天体,它们朝哪里落呢?

说起来,这些天体所处的状态和我们头顶上的航天员是相同的原理,由于身处微重力环境下,并没有受到地球的吸引,所以不会落下去,而是飘在空中。

那么,天体和航天员处于太空之中的时候,真的不受到任何引力吗?这显然是不可能的。

以地球本身为例,它就在太阳的引力范围内,受到太阳的吸引。可是,它为什么没有掉落到太阳上去呢?这是因为,地球拥有一个公转的动作,其公转方向和太阳引力的方向达到了垂直的状态。在这种情况下,太阳的引力无法改变地球的运行规律,而只能改变地球的运行方向。

但是,即便运行的方向有所改变,但仍然始终处于和太阳的引力相互垂直的状态,所以能够一直保持不掉落到太阳上。

你可能会想,这就是高中物理学过的匀速圆周运动,但其实不然。早在差不多四百年前的时候,著名天文学家开普勒在提出行星三大定律的时候就告诉我们,行星的轨道都是椭圆的。以地球为例,最近的时候距离太阳大约1.47亿公里,远日点时距离太阳大约1.52亿公里。

太阳系、乃至整个宇宙中的天体,都是一样的。尽管有着不同的偏心率,但它们的公转都是椭圆形的轨道。哪怕是我们头顶的月球甚至是中国空间站,也是椭圆形的轨道,只有这样的轨道能够保持稳定的公转。

这里提到的稳定,其实也是相对的。我们知道,宇宙中没有什么是永恒的,天体的公转也是一样的。以空间站为例,虽然位于400公里的高空,按照传统概念来看是离开了大气层,但这里仍然有非常稀薄的大气,阻碍着空间站的运行。因此,空间站处在极其缓慢的减速过程中,这会导致它逐渐靠近地球。所以,空间站定期会修正轨道,否则就会坠毁。

宇宙天体也是一样的,以火星的卫星火卫一为例,它和火星之间的距离是九千多公里。根据天文学家的观测,它正以每年1.8厘米的速度发生轨道衰减,未来很有可能会坠毁在火星表面。还有人推测,历史上已经有很多卫星坠毁在木星、土星这样的行星表面。

别说是卫星了,星系之间也会有这样相互吸引情况。在一百多亿年的历史中,银河系已经和许多星系发生碰撞了,从本质上讲,这种碰撞不就是一个星系“掉在”另一个星系上了吗?

所以,大家说宇宙天体全都不掉落,也是不准确的,只是掉落的那些都已经看不到了而已。

也不是所有的天体都在往下掉,还有一些天体是在远离的。比如我们头顶上的月亮,正在以每年3.8厘米的速度远离地球,这和火星与火卫一的关系恰好相反。天文学家推测,月球比较巨大,对地球的影响也不小。在几十亿年后,二者可能会互相潮汐锁定,最终达到平衡。到那个时候,地球上就只有一面能看到月球了。

其实,所有这些天体的运行规律,动力来源只有一个,那就是引力。爱因斯坦的广义相对论告诉我们:所谓的引力,其实是天体的质量扭曲时空所表现出来的一种现象。天体的质量越大,在周围形成的时空曲率就越大。围绕它公转的天体只是因为时空的凹陷,出现了我们看到的运行模式。

由于人类是三维生物,难以理解四维时空,所以人们在描述相对论的这个意义时,都会用二维的网来模拟三维空间的扭曲。

其实,我们也可以利用这样的方法,来理解天体为何没有“掉下去”的问题。其实,宇宙中的天体都处在这样的“网”上,而且是三维的“网”,从这一点来看,它们已经“掉”在现有的位置上了。大家用二维空间的思维来思考,自然觉得难以理解,如果从三维空间的角度来思考,问题就迎刃而解了。

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