地球正以600公里每秒的速度在宇宙里狂奔,我们为什么完全感觉不到?
这是网友的一个问题,在回答之前我要先更正一下,其实题目里的600公里每秒并不是地球的速度,而是银河系的速度,地球实际上是以大约370公里每秒的速度在宇宙里狂奔。那么上面这两个速度又是怎么来的呢?是相对于谁的速度?为何我们感觉不到?请听我慢慢道来。
运动的参考系
学过物理的人都知道,运动是相对的。在讨论运动时必须先建立参考系,也就是你是相对于谁在运动。因此要讨论地球的运动自然也要先建立参考系。我们知道地球绕太阳以大约30公里每秒的速度公转,这运动速度是以太阳为参考系的,而太阳同样也有公转,它正以大约220公里每秒绕银河系中心公转,而这里的参考系自然就是银心参考系了。由于地球绕太阳系的轨道面与太阳系绕银心的轨道面存在约60°的夹角,因此地球实际上相对于银心参考系的最大速度小于220+30即250公里每秒。
那么问题来了,银河系的运动又以谁为参考系呢?宇宙中星系无数,在我们的星系群里都有几十个,在银河系所在的室女座星系团里则有超过2500个星系,那我们究竟参考谁在运动?
绝对参考系——背景辐射静止系
宇宙中的运动很复杂,因为星系间引力关系非常复杂,跟月球绕地球→地球绕太阳→太阳绕银河系中心运动一样,银河系中心也在绕其它星系和星系团运动。这样一直推上去那就比较复杂了,但其实我们有一个更为合理的参考系——宇宙微波背景辐射参考系!
宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸所预言的一种背景辐射,它是宇宙大爆炸初期自由电子被原子核俘获后,光子传播向远方所遗留下来的辐射。理论上它均匀地分布于整个宇宙,这样,很多人会马上想到:这不就是一个绝对的参考系吗?
科学家也是这么想的,他们把它称为背景辐射静止系,也就是相对于背景辐射静止的参考系,不过这是一个局域的参考系,因为宇宙正在膨胀,各处建立的背景辐射静止系之间并非静止。不过这并不影响它作为一个绝对的参考系,因为在宇宙任何地方,都可以建立这样的静止参照系。
随着测量技术的发展,科学家通过多普勒效应对各个方向的宇宙微波背景辐射进行测量,得到的结果是太阳系相对于背景辐射的速度约为370公里每秒,这就是我前面所说的数据的来源。而刚好这个相对运动方向与太阳系公转方向相反,因此银河系相对于背景辐射静止系的速度就要叠加上太阳系的公转速度,结果约为600公里每秒。
我们在向谁奔去?
600公里对于我们人类来说是个非常高的速度了,特别是来自银河系这么一个庞然大物,毕竟目前我们所能制造的最快航天器——重量一吨不到的太阳探测器借助太阳引力也仅能达到200公里每秒的速度。很多同学不禁要问,我们究竟向谁奔去?什么东西那么大的吸引力让整个星系高速狂奔?
科学家通过对大量邻近星系的观测发现,不单银河系,所有邻近星系都在向同一个方向高速运动。但由于这个运动的焦点处在银河系中心方向盘面的背面,大量的尘埃阻碍了观测,我们至今不知道那个位置上究竟有什么,科学家只有给它起了一个形象的名字——巨引源。顾名思义就是巨大引力源的意思。
地球飞那么快,我怎么不知道?
有人可能奇怪了,既然我们正高速飞向巨引源,我们为什么完全感觉不到?答案其实很简单,因为能作为运动参考的星星离我们太远了……
我们察觉运动是基于物体在我们视野中的移动速度。而根据简单的几何知识就可知道,物体在我们视野中移动速度除了跟物体本身速度有关,还与相对我们的距离有关。
在日常生活中你会发现,从你身边呼啸而过的自行车即使实际速度不高,看起来都比远处飞驰的汽车快,而你看天边遥远的飞机,感觉速度跟乌龟差不多,但实际上它的速度比汽车快十几倍……而我们看向星空,最近的恒星比邻星距离我们约4.3光年,最近的星系大麦哲伦星系距离我们约16万光年,最近的大型星系仙女星系距离我们约250万光年……
无论是370公里每秒还是600公里每秒,在以光年计算的星际距离上看都不值一提,即使你盯着它看一辈子,都不会看出它有丝毫的变化。如果你不信我们可以来算一下:
一光年约为9.46*10^12公里,600公里是1光年的1/15768000000,根据上面得到的距离和位移关系可知,1光年外以600公里每秒的速度横向位移角相当于在1公里外每秒横向移动1/15768000000公里距离,约为63皮米,而氢原子的半径约为32皮米,直径64皮米。也就是说,600公里每秒的高速运动在1光年距离上看起来就跟1公里外每秒移动1个氢原子距离一样……相当于1年内移动0.000002毫米……能看出来就有鬼了……
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