地球一直漂浮在太空中为何其重达60万亿亿吨却不会向下坠落?

地球是我们赖以生存的家园,46亿年前以来,无数生命在此繁衍生息。人类自诞生以来,不停地探索着地球的秘密,从地球上的所有动植物到各种元素物质,从微生物到古生物,似乎地球上所有的奥秘都在逐渐被我们解开。

除此之外,地球本身的秘密也在人类科学技术的不断精进下慢慢解开。在科学家的演算下,人类知道了地球诞生的时间、地球结构的组成、生命进化的过程以及宇宙中的地球是什么模样。

人类进入外太空以后,拍摄了大量宇宙的照片。当我们看到太空是虚无的宇宙和悬浮的天体,不禁要问,为什么重达60万亿亿吨的地球一直在太空漂浮,不会向下坠落?

在地球上,所有的东西都会“下坠”。手里的东西没拿稳就会掉在地上,飞翔的鸟儿如果被猎枪打中也会掉在地上。直到熟了的苹果掉在了牛顿身旁,他就领悟出了引力的概念,解释出了世间万物坠向地球表面的现象是地心引力在作祟。

因为地球本身有引力存在,所以所有的东西都在向“下”坠落,假设地球瞬间失去了引力,保护我们的大气层就会逸散,地球表面上的一切都会被地球的自转和公转“甩出去”,所有动物、植物、建筑、人类乃至海水,统统都会消失在宇宙间。

那么引力又是什么力?为什么地球有引力?如果用“镶嵌图”就可以看出,地球的引力就是它自身质量造成的时空弯曲。地球就像是放在棉花里的一颗玻璃珠,给棉花压出了一个坑,所以玻璃珠周围的棉花,就变成了漏斗形状,一定范围内的东西都会向玻璃珠滑落。因为在地球范围内,地球的质量最重,而且没有外力可以抗拒向下滑落的力量,所以地球上的所有东西都会被引力束缚。所以牛顿说,质量产生了引力。

在太阳系中,质量占整个太阳系99.86%的太阳就是“最重的玻璃珠”。如果把太阳比作是地球,那么太阳系中的其他天体就像是地球上的生物一样。太阳的质量产生巨大的引力,吸引着所有天体围绕它运动。

在银河系中,有无数个太阳系这样的星系,虽然太阳系距离银心有2.6万光年,但银河系的质量大约是太阳的8000亿倍,所以即便太阳系如此庞大,距离银河又如此遥远,也依旧被银河系牢牢吸引。

也许有人要问,人类没有持续“下坠”是因为双脚已经踩到了地球,那么地球为什么没有“贴”到太阳?而是围着太阳转圈呢?难道是地球正在不断向太阳靠近,但我们还没有发觉吗?

其实,不光地球没有向太阳靠近,太阳系也没有向银河系靠近。因为有一种力量抵消了引力,所以地球和太阳的距离几乎保持不变,否则在引力的持续作用下,地球早就“灰飞烟灭”了。想要解释为什么地球按照固定轨道围绕太阳旋转,可以用牛顿大炮来解释。

牛顿大炮是著名物理学家艾萨克·牛顿的一个思想实验。他通过想象力解释出了行星运动的动力来源。牛顿假设,如果有一门加农炮在一座非常高的山上发射,如果没有引力和阻力的话,炮弹应该会以直线远离地球。有引力存在的话,炮弹的飞行轨迹就会呈抛物线状态。炮弹射出的初速度越快、飞行到坠落的时间越久,炮弹飞行初速度越慢,坠落速度也就越快。

发射出的炮弹被地心引力改变运动路径,从直线脱离地球变成曲线环绕地球,但是又因为有一开始的初速度,而没有坠落,就会处于一个可以刚好摆脱地心引力,但是又不能完全摆脱地心引力的状态。这时候的炮弹就会像被绳子拴住的小狗一样,围着地球转圈。这个刚好导致炮弹会围绕地球旋转而不会坠落也不会飞出去的速度就是宇宙第一速度。

如果初始速度太大,炮弹就会呈椭圆形的轨道围绕地球运行。如果初始速度更大,那么炮弹就可以刚好完全脱离引力,飞向遥远的外太空。能够脱离地球的速度就是第二宇宙速度。但是飞出地球以后,还会受到太阳引力的影响,但如果这个速度能够快到刚好“抵消”太阳的引力,那么这个速度就是第三宇宙速度。

也就是说,科学家如果想要发射一个围绕地球运动的卫星,必须精准地测算出第一宇宙第一速度。想要发射探测火星的航天器,就要达到第二宇宙速度,想要发射一颗飞出太阳系的探测器,就要达到第三宇宙速度。

如果还是难以想象,用小一点的例子举例也许会更加直观。如果你掉到了一个很大的漏斗形的坑里,坡度很陡的话想要直接爬上来,就会因为引力而掉回坑里。如果你沿着漏斗坑的内壁跑圈,就可以呈螺旋状上升。但如果你跑的速度太慢,还是会掉下去,跑得速度更快但还不足以抵消引力,就会不停转圈无法上升。如果你跑得速度足够快,就可以顺利从坑底跑到坑外。

月亮为什么会围绕地球旋转?地球为什么会围绕太阳旋转?太阳系为什么围绕银河系旋转?都是因为它们分别处于一个刚好可以抵消引力的运动速度,所以既没有飞出运动轨道,也没有被引力完全牵制。

既然引力大小被物体的质量左右,那我们一定是知道了地球的质量以后才能测算出宇宙速度的具体数值。那地球的质量又是如何被算出来的呢?

两百多年前,人类的自然科学已经发展出一定基础,当时人们早就通过测量和计算得到了地球的半径和表面积,也通过计算知道了地球的体积,但没有人算出地球的质量。因为当时计算质量的公式只有密度乘以体积,但是地球的结构太过复杂,地心深处的结构密度都无法得知。所以想要知道地球的质量,还得寻找新的方法。发现了万有引力的牛顿就被大家寄予厚望。

牛顿发现“任何两个物体都是互相吸引的,引力大小与这两个物体质量的乘积成正比,与它们中心距离的平方成反比。”所以想要通过数值套入公式计算地球的质量,但是因为缺乏两个物体之间的引力数值而失败了。

之后,法国科学家布格尔爬到高山上,使用“铅垂线法”计算高山和铅球之间的引力,打算用这个数值填补牛顿构思中缺少的数值,然后计算出地球的质量。但是由于高山和铅球之间的引力太小,风和其他因素也让数据结果大受影响,所以测算地球质量的希望再一次破灭了。

有人预言说,人类永远无法知道地球的质量。但在不久之后,有位科学家发明了扭秤打破了这则寓言,这个人就是英国科学家亨利·卡文迪许。

根据科学家的计算,地球的质量大约为5.965×10²⁴千克,也就是60万亿亿吨。这样庞大的数值,也没有电子秤之类的东西,科学家又是如何计算出来的呢?更令人惊叹的是,早在1798年,也就是两百多年前,地球的质量就被英国科学家亨利·卡文迪许用扭秤给“称”了出来。但“称地球”这件事情并不容易,他作为当时最有影响力的科学家之一,也用了近50年的时间才“称”出来。

“称地球”是当时最吸引科学家的难题之一,亨利·卡文迪也被这个问题吸引着。1750年的时候,他听说剑桥大学研究出了一套测量引力的新装置,就特意跑去学习。学习以后,亨利·卡文迪设计出了另一套测量引力的方法:用丝线悬吊起一个两段挂着等重小铅球的“哑铃”,然后用两个大铅球分别靠近,引力作用下,“哑铃”就会发生旋转,细线就会出现扭动,细线扭动的程度就可以反映引力的大小。

按道理,这样的原理求出的数值已经可以求证出地球的引力,从而带入数值计算获得地球质量的大小。但是因为细线实在太小了,肉眼观察的时候几乎看不到细线的扭动程度。直到亨利·卡文迪在一次外出过程中,看到有几个小朋友拿镜子反射太阳光,在镜子反射出的光斑在阴影下异常明显,亨利·卡文迪也因此受到启发,对自己制作的引力装置进行改造。

回到实验室以后,亨利·卡文迪在细线上固定了一个小镜子,当细线扭动时,镜子反射出的光斑就会在对应的刻度尺上发生移动,移动的距离就是细线扭动的程度。一块小小的镜子,大幅度提高了装置的灵敏度。之后,亨利·卡文迪又用其他方法改进了装置的缺点,保证数据测算的准确性,后来这套不断完善直至能够测算出引力的仪器,被大家称之为“扭秤”。

1798年,67岁的亨利·卡文迪利用扭秤测算出引力,然后根据牛顿万有引力的定律,计算出了地球的质量,,破解了困扰人类好几个世纪的难题。他也因为第一个测出地球的质量,被誉为“第一个称地球的人”。返回搜狐,查看更多