我们的直观体验告诉我们:物体总会向地面降落,这是地球引力的使然。而当你在太空中凝望咱们的地球时,它好像静静地“漂浮”在星际间,并非呈现下坠的姿态,这到底是何道理呢?
要想剖析这一疑问,不妨从如下几个方面切入分析。
首当其冲,地球(或任何星球)真的是在太空中“漂浮”着吗?
实际上并非如此!地球不仅不是在太空中漂浮,反之,地球实际上一刻不停地在“下坠”!
如何理解这一现象?
打个比方,一个非常简单的例子,你可以随时在现实生活中亲自体验这个例子。
在宽阔的大马路上随手捡起一块石头,奋力向前投掷,你会发现石头飞行一段距离后,终究会回落到地面。
自然,你的力量越大,石头飞得越远,但终究逃不出地心引力,回到地面。
接着,展开你的想象翅膀,来个思想实验。设想你拥有无穷的力气,随着投掷石头的力量不断增强,石头飞行的距离也会越来越远。
接下来你肯定有所感觉了!
没错,肯定存在一个特定的力的临界点,一旦达到这个点,石头就不会再落回地面,而会变成地球的一颗“卫星”,永远绕地球旋转。
但不落回地面,并不意味着石头就毫无下坠之势,并非真正意义上的“悬浮”。实际上,石头一直在朝向地球坠落,换言之,就是石头一直在进行“自由落体”运动,只是加入了“水平”方向的速度,使之成为具有水平速度的自由落体运动。
假如你的力量稍微差那么一点,没能达到那个临界点,会发生什么?
石头会绕地球一圈后,落在你脚边(当然是在理想状态下,实际状况就别太较真了!),而当你的力量稍微大一些,石头就再也不会触及地面。
这正是著名的“牛顿大炮”设想。当石头下坠的弧线与地球的弧形轮廓相吻合时,石头就不会再下坠到地面。
而地球不正是一颗硕大的“石头”么?
接下来,我们常说的“下坠”其实具有局限性,它仅适用于地球(或其他星球)表面。在地球表面,我们能轻易定义“上下”方向,但到了广袤的宇宙中,定义“上下”就变得不再那么简单。
或者说,在太空中,根本就无“上下”之分,没有所谓“上下”的概念。
地球纵然想“下坠”,但究竟何处是“下”呢?
最后,地球纵然想投入“宇宙的无底深渊”,但“无底深渊”又在何方?或者,“无底深渊”到底意味着什么?
正如前文所述,地球确实在“下坠”,但这里的“下”仍旧是局部的概念。在太阳系中,地球的确不断地朝着太阳方向坠落,但坠落的弧形与太阳的弧形恰好相符(自然,这也是理想状态,实际地球的轨迹呈椭圆),因此不会坠入太阳表面。
简而言之,地球实际上一直在向太阳做自由落体运动,正如空间站也向地球做自由落体运动一样,这也是空间站上的宇航员会体验到失重状态的原因,毕竟自由落体自然会导致失重。
从物理学角度来看,地球实际上是在时空的“测地线”上移动。
何谓“测地线”?
它类似于“两点之间直线最短”这一几何原理,时空的“测地线”即为时空中最短的路径。
广义相对论告诉我们,时空并不是平坦的,而是具有弯曲的性质,引力的实质正是时空的弯曲所致。天体在弯曲的时空中沿“测地线”移动。
换言之,就是“时空指导物体如何运动,物体塑造时空如何弯曲”!
质量存在的物体(尤其是巨大的天体)能够使时空产生弯曲,随后物体沿着弯曲的时空结构移动。
也许有人会疑惑:时空是朝哪个方向弯曲的呢?
它既不向上也不向下,而是朝向物体的质量中心弯曲,如同下图所示,移动的物体让其周围的时空发生弯曲。
当然,可能还有人会疑惑:地球朝太阳坠落,太阳朝银河系中心坠落,那银河系又朝哪里坠落呢?……
如此追问下去,问题最终会演变为:我们的宇宙为何不会坠落?
在哲学领域,有这样的观点:任何问题,一旦不断追问下去,都将无解,终将步入死胡同。科学也属于哲学的一部分。
当然,这并不是说问题不值得探究,科学本身就是逐步揭开宇宙和自然之谜的过程,如今人类对宇宙的认知远远不足,或许在背后隐藏着更深层次的秘密,等待我们人类不懈地探索与发现!