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  • 1 # 郭哥聊科學

    感謝題主貢獻的高質量話題,先給出答案,是時空告訴月球如何運動。

    一、時空告訴物質如何運動

    “物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動。”這是現代物理學的廣義相對論,對於時空研究的最高成果,是人類對於時空理解的最新表述。在廣義相對論的理解中,月球只是在沿著自己的測地線(最短路徑)在運動,是一種慣性運動。所以不存在所謂運動狀態的改變,自然也就談不上所謂的降落或者是離開的問題。

    二、廣義相對論是現代科學認識引力的最高成就

    廣義相對論的建立不是在我們日常生活經驗之上的,它是建立在對於新現象(光速不變)的基礎之上,透過對於光速不變的邏輯思考,利用數學工具描述的符合客觀物質運動的規律,提出的理論。而我們日常生活的經驗世界都是低速(遠低於光速)世界,所以從日常經驗出發,我們就很難理解相對論做出的結論。

    三、為什麼我們會產生降落或者離開地球的念頭

    從日常經驗來說,我們在生活中建立了上、下、左、右的基本概念,建立了飛翔和掉落的概念。在地球表面上,速度比較低、低於第一宇宙速度(7.9km/s)的情況下,物體總會重新回到地面上,這就是我們所理解的掉落。

    要知道,人類透過自己的力量,讓物體的運動速度達到或者超過第一宇宙速度,也還不到70年的時間,這個速度已經是很難達到的速度。對於絕大多數人來說,能看到的身邊的物體,無一例外都不會自行離開地球。從日常經驗出發,自然會本能的去思考月球為什麼不會掉落下來。

    四、廣義相對論那麼好,為什麼不取消牛頓力學

    替代的成本太高了。單是廣義相對論的場方程(黎曼幾何和張量分析),就能瞬間刷掉我們每年700W畢業生中的690W,還真不是一般人能學會的,就算是一般的物理系本科生,恐怕也是一腦門子汗吧。

    而牛頓力學就不同了,它的數學表述相對簡單,初等數學水平,或者只要有點微積分基礎就能看明白。更重要的是,它是廣義相對論在低速下的近似,在我們日常生活中,能接觸到的運動都是低速運動,用牛頓力學就足以處理所有問題了。沒有必要去用廣義相對論這個複雜的工具,這不是自找麻煩嘛。

    而且,即使是牛頓力學已經很簡單了,也不是很多人就能輕鬆掌握的。看看新出爐的高考方案中物理科目的選項,大家應該明白,物理再簡單,也是很多人的攔路虎,談之色變的科目。

    所以,為了科學的普及,降低人類的學習和研究成本,牛頓力學還依然有旺盛的生命力。

    五、用牛頓力學解釋月亮為什麼既不掉落也不飛走

    月球繞地球的平均公轉速度是1.023千米/秒。月球公轉的向心加速度是0.0027 m/s²。可能有小夥伴看到這個資料會說,你騙我,你不是說速度低於第一宇宙速度就會掉落回地球嗎?小夥伴們可以會頭去看一下,我強調了,那是在地面上。

    如果月球在這個高度上(38W公里)向地球靠近,重力勢能就會轉變成動能,它的速度就會增加,重新回到更高的軌道。同理,如果月球想逃離地球,它的動能就會減小(速度減小),重力勢能會增加(高度增加),月球的速度會把它再送回原來的高度上。這就是,月球在目前軌道上,保持相對穩定軌道的牛頓力學解釋。

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