宇宙中的天体看起来都悬浮在太空中,为什么它们不会掉下去呢?
这一问题,看似简单,却蕴含着深刻的物理学原理,它伴随着人类对世界认知的发展,经历了漫长而曲折的探索历程。
在人类科学发展的早期,古希腊的自然哲学对万物的运转规律有着独特的见解。
那时,亚里士多德这位哲学集大成者认为,力是维持物体运动状态的原因,物体要运动就必须有力的参与。
这种观点在当时占据了主导地位,深刻影响着人们对世界的认知。按照这个理论,人们很难理解天体为何能 “悬浮” 在宇宙中,因为在日常生活里,我们看到的物体如果没有外力支撑,都会往下掉落,比如熟透的苹果会从树上坠落。
所以在亚里士多德的观念里,天体的运动背后必定有某种神秘的 “力” 在维持着,使其不会掉下来。
然而,随着时代的发展,到了文艺复兴时期,科学迎来了重大变革。
伽利略、牛顿等一批杰出学者的出现,打破了亚里士多德理论的长期统治。牛顿在伽利略等人的研究基础上,提出了著名的牛顿三大定律。
其中,牛顿第一定律指出,力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动的原因。一个物体如果所受合力为零,它要么保持匀速直线运动状态,要么保持静止状态。
这一理论为我们理解天体的运动提供了全新的视角。
在地球上,我们之所以会有 “东西都往下掉” 的直观感受,是因为重力的存在。重力的方向是竖直向下的,就像苹果从树上掉落,正是受到重力作用。
但当我们将视野扩展到太空,情况就截然不同了。
天体所受到的力主要来自于其他天体的引力,比如地球会受到太阳的引力作用,同时也会受到月球等其他天体的引力影响。这些引力与地球上的重力有着本质区别,它们并非单一地指向某个固定方向,而是指向各自的引力源。
以地球围绕太阳的运动为例,地球受到太阳引力的方向是指向太阳的。
从某种意义上来说,如果地球真的要 “掉下去”,对于地球而言,它的 “下” 应该是朝着太阳的方向。
但地球之所以没有掉到太阳里,是因为它具有一定的速度。
这就如同发射卫星,卫星具有一定的初速度,在受到地球引力作用时,它不会直接掉落到地球上,而是围绕着地球做圆周运动。地球围绕太阳的运动原理与之相似,只不过其轨道更为复杂,是椭圆轨道。
所以,从经典物理学的角度来看,在太空中没有一个朝下的 “力” 拉拽天体,天体也就不可能像在地球上那样往下 “掉”。
随着科学研究的深入,人类对引力现象的理解又迎来了一次重大飞跃。
现代物理学的两大支柱 —— 相对论和量子力学,为我们揭示了更为深刻的宇宙奥秘。其中,爱因斯坦的广义相对论对 “引力现象” 给出了与牛顿理论截然不同的诠释。
在牛顿提出万有引力定律时,有一个假设前提,即时间和空间是绝对的,所有人对一秒钟的时间跨度和一米的长度感知都是相同的,与物体的运动状态无关。
这种观点与我们日常生活中的直觉相符,容易被人们接受。
但后来,随着对 “光速” 的研究不断深入,科学家们发现了一个神奇的现象:光速在任何惯性参考系下都是不变的。
基于这一特性,通过数学推导可以得出,不同运动状态下,空间和时间是不同的。也就是说,一个人的运动状态不同,他所看到的一米长度和感受到的一秒时间跨度可能都会有所差异。
爱因斯坦在此基础上,提出时间和空间并非牛顿所认为的那样绝对,这便是狭义相对论的一部分内容。
之后,爱因斯坦进一步推导,得出了广义相对论,并提出了等效原理。
等效原理表明,适当加速运动的参考系和重力场是等价的,通过这一原理,爱因斯坦统一了引力和加速运动的物理学现象。
在广义相对论中,爱因斯坦提出引力的本质是时空的弯曲。
例如,月球绕着地球转,并非是因为地球对月球施加了一种传统意义上的 “引力”,而是地球的质量巨大,压弯了周围的时空。
月球实际上是沿着弯曲时空的测地线在运动,测地线是高维时空两点之间的最短距离。
从三维空间来看,月球的运动轨迹是椭圆轨道,但从四维时空的角度分析,它只是在遵循牛顿力学第一定律,沿着时空的 “地面” 运动。
所以,从广义相对论的角度理解,天体可以说是被时空 “托着”,在时空的 “地面” 上运动,而不是传统意义上的 “悬浮”。