星球为何漂浮在太空,而不会掉落?如果掉落,会落到哪里?
当你抬头仰望夜空之时,你有没有想过一个问题,为什么闪亮的星星都漂浮在太空中?为什么这些漂浮在太空的星球不会下落呢?
要说明这个问题,要先来谈谈什么是“下落”。
最早从物体下落中得到物理理论的物理学家是大名鼎鼎的牛顿。牛顿因为坐在苹果树下,看到苹果在自己的身旁下落,便开始思考,物体为何会下落呢?后来牛顿想明白了,这是 因为苹果受到了重力的牵引而坠落地面,万有引力定律便应运而生 。
在地球上来说,物体下落是因为受到重力牵引而坠落到地面上,但是在茫茫的宇宙中,宇宙的下方是哪儿呢?宇宙的边境我们也只能靠推测,这样一来我们又如何判别星球的掉落会往哪里去呢?
牛顿的万有引力理论无法说通,另一位物理学泰斗的理论便可以派的上用场了,这就是 爱因斯坦的相对论。
在20世纪初,受益于天文学和 科技 的发展,人们发现 牛顿的经典物理学体系在微观世界不再适用了。
但当时很多物理学家认为牛顿的定律是真理,自己发现的微观世界的物理现象一定是在哪个地方出了差错。
这导致很多物理学定律被牛顿的经典物理学体系给限制住了。这时,爱因斯坦敢于掀翻牛顿建立起的物理王朝。
在1905年,爱因斯坦首次提出了相对论的观点,1915年,广义相对论的发布震动了世界物理学的格局。
许多物理学家认同了爱因斯坦的观点,牛顿建立的经典物理学体系不再是物理学中的唯一真理,爱因斯坦的狭义相对论以及广义相对论中提到的时空观点反倒更让物理学家们信服。
在爱因斯坦的相对论中, 时间、空间、物质相辅相成 ,不能单独把其中之一拿出来讲,而是要看一个物质的所处时空。比如我们人类,就身处在由时间、地点组成的四维空间。
在爱因斯坦的相对论中,以空间中的一个点向前方画直线,以这条直线为x轴,垂直于x轴再画一条直线,这根直线为y轴,而同时垂直于x轴和y轴再画一条直线,取这条直线为z轴,并把时间作为第四条轴,在地球上,我们所处的任何时空都能在这个四维空间中找到。
但是宇宙中的星球呢?也能如法炮制地通过作四维空间坐标图定位吗?爱因斯坦的答案是 不能 。因为宇宙中的星球,很有可能不和我们所处的四维空间在一个空间纬度内,有可能在宇宙中的星球处在更高的维度空间。
在爱因斯坦的广义相对论中提到, 引力不再作为一种力,而是一种能够扭曲时空的几何属性。 也就是说,引力的存在会导致时空的扭曲,而根据爱因斯坦方程式计算,宇宙中肯定是拥有引力的。
爱因斯坦就在1927年大胆地预言了 引力波 的存在。现在的天文学家已经验证,引力波确实存在,2016年, 科研学家因为探测到宇宙大爆炸第一波震荡和探测到第二个黑洞合并事件, 在2月11日,物理学家宣布已确定宇宙中确实存在引力波。引力波的存在证实了爱因斯坦的猜想。
既然宇宙存在引力波,那就一定存在被引力所扭曲的时空,平行时空客观存在,这就表示我们无法通过四维空间坐标给宇宙的众多星系标注其所存在的时空。 星球在宇宙中下落的这个观念本就是一个错误的思想。
为什么我们看起来宇宙中的星球都是漂浮在空中的呢?这是因为, 两个物体之间是会互相吸引的,物体重量越大,物体产生的吸引力就会更大。
以我们所处的太阳系为例,我们所在太阳系,因为处在中心的太阳这颗恒星的重量太重,四周的各种行星,卫星和矮行星都被太阳吸引,开始围绕太阳这个巨大天体做公转。这些由于太阳引力而约束在一起的天体系统就叫做 太阳系 。
水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星 这八大行星,以及围绕着八大行星周围的各种 卫星、彗星 。
为什么这八大行星没有脱离太阳运动?正是因为太阳质量太大,它的引力让八大行星围绕着太阳做公转运动,八大行星的公转轨道形成了一个平面,这就是 黄道平面 。
不仅这些天体不会飞离太阳,它们的运动轨迹还很规律。过去我们曾错把冥王星当做第九大行星,这颗现在被正式定义为矮行星的天体, 有一部分公转轨迹和海王星重合。
但是在宇宙漫长的时间长河中, 海王星和冥王星却从未相撞 。天文学家根据数据分析,海王星和冥王星公转的时间不同,并且二者在数百万年内,运动轨迹都并无太大变化,也就是说 冥王星这颗矮行星和海王星这颗行星的公转机制是稳定的。
如今,关于为何星球在宇宙中漂浮,天文学家有另一种说法。 那就是宇宙存在一种名为以太的物质,这种物质是填充地球球体上方宇宙区域的物质。
这是一种能够驱使宇宙间所有物质运动的假象物质,这种物质提供宇宙运动的能量。宇宙的膨胀正是因为这种以太能量驱使的。
而天体之所以能够悬浮在空中,除了因为受到了太阳的引力,宇宙中以太的能量也让天体因能量守恒而悬浮在空中。
而如果星体想要逃离另一个星体的引力而向外运动呢? 这需要足够大的速度 。以地球为例,地球万物都受到地球的引力,想要逃离重力的影响,就要让自己的速度达到逃离速度。
这就是牛顿所说的 三大宇宙速度。当飞行器的速度超过11.2千米每秒时,飞行器就能克服地球的重力,飞离地球朝着太阳系飞去。而如果想要飞出太阳系,这需要速度达到16.7千米每秒。
由美国发射的宇宙空间探测 旅行者一号、二号和新视野号 的速度都已经超过了 16.7千米每秒 。如今,旅行者一号已飞出太阳系,彻底与地球失去联系,成为了宇宙空间中的人造垃圾。
如果突然失去了引力,会导致星球的“下落”吗?以太阳系的星球为例。如果星球失去引力,就是现在的太阳突然消失了,这些星球会往哪儿运动呢?
最有可能的结果是, 这些围绕着太阳做公转的行星会以原来的公转速度向太阳那里靠拢,最终碰撞在一起,形成新的天体。
而和太阳距离更远的 彗星和矮行星 ,因为宇宙中的引力波的存在,在太阳消失的一瞬间受到的影响并没有那么大,他们 会因为引力波的作用而导致继续绕着原来太阳还在时的轨道做公转运动,直到太阳的作用完全消失,这些彗星和矮行星才会朝太阳靠拢。
这种说法是否有点像是太阳这颗恒星因为宇宙的膨胀而形成质量更大的白矮星后的现象呢?
当太阳变成白矮星后,因为过大的质量导致它的引力变大,周围的天体因为这引力而被吸引过来,最后因为将四周的光线和所有物质都吸引过来,又因为引力过大而使得四周的时空扭曲,最终形成黑洞。
失去引力后的天体运动显然不是因为引力而向太阳方向靠拢的。这是因为天体们本都在做 匀速运动 ,当失去了引力后,自然会因为离心力而向太阳方向靠拢,和因被太大引力吸附过去不同。
更何况,受太阳引力作用小的海外星外星系还会因引力波而会继续沿着原轨道做公转运动呢。
这种现象其实更像 绕着原子核运动的电子 ,当电子们吸收能量后,会往更高能级上跃迁,而当电子们失去能量后,这些电子会掉到更低的轨道上。
天体的公转运动可以以此类比,处于中心的太阳就相当于原子核,而公转轨道就相当于各个能级。
当处于轨道上的天体突然失去了引力,也就是突然失去了太阳对其给予的能量,天体自然会像电子一样,往较低能级上跌落,天体会逐渐靠近太阳的位置,直到 相撞 为止。
宇宙中各个天体都是如此。太阳因为自身产生的引力而形成了一个巨大的 重力井 ,这个重力井把四周所有的天敌都往里面拉,但是同时,各个天体都在自己的时空中,产生了属于自己的重力井,就比如月球,就是因为地球的引力而绕着地球公转。
在宇宙中的任何天体,都是如此,都会产生自己的重力井,而使得周围更轻的天体坠入更重的重力井中。
那为何太阳这种恒星产生的引力这么大,四周的行星没有直接与太阳相撞呢?
这是因为 力的作用是相互的 ,正是因为每个天体都有因自身质量而产生的重力井,而太阳也会同样受到其给予星球的同等大小的引力。
而因为太阳质量更大,它的运动幅度相较于其他行星来说要小太多,所以这也就导致看起来是这些行星绕着太阳做公转运动。
探索 未知的宇宙,就是在一点点的发现我们人类的无知。放在爱因斯坦出世以前,我们可能还真会因为什么星球漂浮在空中而苦恼,因为牛顿的物理学体系是建立在日常生活中的一些常见的现象上的。而一旦脱离了地球家园,很多经典物理定律就没法适用了。
对人类来说,宇宙一直是神秘的。人过去就已经向往这个宇宙了,在 科技 不发达的时候,人们就开始用自己的想象力来解释一些天文现象,像是 天狗食日 就是解释了由于月亮挡住了部分太阳而造成的日食现象。
到了现代,随着航天业的发展,我们才敢把视线重新放在这片浩瀚的宇宙中,随着喷射火箭和宇宙飞行器的问世,人类再一次向太空进军。
虽然现在只有美国人踏上过其他星球的土地,但我们有理由相信,在未来,一定有越来越多的国家会踏上对宇宙的征途。
或许真的有一天,人类会因为对宇宙的 探索 ,再一次地刷新我们对已有的物理定律的认知,而这种认知会让我们更了解我们这个星球,更了解宇宙这一未知时空,在未来的某一天,人类也能驾驶宇宙飞船,在星际间遨游。