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地球那么重,为什么能悬浮在太空中?

对于我们来说,地球很重,它的质量为5.97亿亿亿千克。那么,如此重的地球是怎么悬浮在太空中的呢?什么力量在托着地球不往下掉呢?

宇宙中的方向

首先,宇宙中没有绝对的方向,并不存在所谓的上方和下方。天体分布在宇宙空间中,不存在绝对参照系,所以天体的方位都是相对而言的。我们可以认为地球处在太阳的“下方”,或者也可以反过来认为太阳处在地球的“下方”。

地球上的方向

在地球上,我们会感受到方向,是因为地心引力的作用。地球上的物体都会受到朝向地心的引力,这个方向正是我们所熟悉的“下方”。由于地球是个球体,所以地球上不同地方的“下方”并不一致,但都会指向地心。

对于太空中环绕地球运动的宇航员,他们没有上下方向的感觉,因为他们处于失重的状态。如果宇航员处在密闭的太空舱中,他们无法分辨出哪个方向是“下方”,或者地球在哪个方向。

地球的“下方”

虽然宇宙中没有绝对方向,但在某种意义上能够定义出地球的“下方”。太阳的质量远超地球,前者是后者的33.3万倍,太阳强大的引力无时无刻不在试图把地球吸引过去,我们可以认为太阳引力的方向是地球的“下方”。

那么,这个问题就变成了“为什么地球不会掉进太阳中?”

虽然太阳的引力持续施加在地球上,但地球并不会被吸引过去,因为地球不断环绕太阳旋转,可以抵消引力作用。关于这个原理,可以用“牛顿大炮”来作说明。

牛顿大炮

试想一下,在地球上沿着水平方向发射出一枚炮弹,其飞行距离会随着初速度的增加而变远。由于地心引力的存在,炮弹最终会掉到地上。但如果炮弹的初速度足够高,由于地球是个球体,表面是弯曲的,炮弹能够飞得足够远,避开地表,不会落到地上,从而会绕着地球旋转。在没有空气阻力的情况下,炮弹会成为地球的卫星,一直环绕地球运动。这个足够高的初速度就是第一宇宙速度,大约为7.9公里/秒。

只要有足够的速度,物体就能环绕地球运动而不会被引力吸引到地表。距离地表越远的地方,所受的地心引力越弱,所需的环绕速度越慢,例如,400公里高度(大部分载人飞船轨道)的轨道速度为7.7公里/秒,3.58万公里高度(地球同步轨道)的轨道速度为3.07公里/秒。

同样地,地球以大约30公里/秒的速度绕着太阳旋转,这个足够快的轨道速度能够使地球免于掉进太阳中。地球的轨道速度来自于46亿年前原行星盘中的微行星,由于角动量守恒,并且太空几乎真空,地球才能不断环绕太阳旋转。

银心参照系

如果以银河系中心为参照系,不仅上下方向看起来会发生变化,而且地球的运动方式看起来也会变得不同。地球环绕太阳的轨道平面与银道面的夹角为60.2°,银心的方向成了“下方”,那是银河系中所有天体的共同质心所在之处。太阳不会掉进银心中,也是因为太阳以220公里/秒的轨道速度在星际空间中快速穿行。

另一方面,地球在银河系空间中的运动看起来并非是椭圆形。由于跟随太阳环绕银心运动,地球的运动轨迹是螺旋形的。

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