網友提問: “為什麼月亮可以懸浮在宇宙中?如果它沒有依附於任何東西上,為什麼它不會掉下來?”現在我知道這是因為重力,但是我並不知道具體的細節。有人可以幫幫我嗎?
圖解:在阿波羅8號任務,於1968年的聖誕夜從月球看見的地球。非洲在日沒的邊界線上,美洲在雲層之下,在邊界線末端左邊的是南極大陸。
可以用兩個答案來回答你的問題:一個是基本答案,另一個就相當精準了。基本答案來自牛頓提出的重力。然而,更完整的回答直到上世紀初才由愛因斯坦算出來。
圖解:一個最初靜止的物體在重力作用下自由下落的距離,與經過時間的平方成正比。這張照片持續半秒,每秒20次閃光。
可以簡單地回答這個問題。月球和地球之間有一種引力,它試圖把月球拉向地球。月球繞地球執行時受“向心力”作用。這個力由“離心力”來平衡,離心力作用於地球,使月球不斷地環繞地球。有關向心力和離心力之間(細微的)差別的技術描述,請參閱此頁。正是向心力和離心力之間的平衡使月球可以繞地球執行。
圖解:月球公轉與地球自轉方向相同,但地球自轉速度快於月球公轉,使漲潮被地球自轉帶著跑,在月球至中天前到來,相差約3度。 月球與潮汐隆起(tidal bulge,或稱隆堆)相互吸引,使得地球自轉漸漸變慢,而月球公轉漸快。這使得當前每一年月球軌道約推離地球38毫米,而地球的一日延長約23微秒。 因為月球對地球萬有引力的作用,地球視作一固態整體,較背對月球一側的海水更被拉近月球,因此背對月球一側的海水形同“升高”了。這造成兩端的潮汐隆起與每天兩次的漲潮。
另一個答案,會更準確。為什麼離心力和向心力可以實現平衡?因為如果不是這樣,月球就會撞向地球。但是,月球為什麼沒有撞過來呢?因為離心力正好平衡向心力。這裡的推理是迴圈的:上面的簡單解釋提供了一種理解月球如何繞地球軌道執行的方法,但不是確切的原因。愛因斯坦在20世紀初給出了答案。
接下來更詳細地回答這個問題。愛因斯坦的廣義相對論解釋了宇宙中時空的性質。在這個廣義相對論中,品質曲線時空附近的物體,其曲率會影響其他物體的運動。物體的品質和密度越大,產生的時空曲率就越大。所以,月球繞地球執行是因為地球在月球附近彎曲時空。雖然月球本身也會使空間彎曲(因為它有品質),但月球附近的曲率是由地球控制的,考慮到月球目前的位置和在天空中的運動,地球“告訴”月球繞地球執行。品質和曲率之間的相互作用首先導致了向心力和離心力,這就是會有這個問題的基本答案。
這兩個答案之間的區別非常微妙,但歸結起來就是:
第一種情況可以通過分析兩種力的作用來理解,即推入和推出的力是相等的。
第二種情況可以理解為地球扭曲了月球附近的時空,使月球以地球的方式繞地球執行。
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圖解: 萬有引力使行星按照自身的軌道圍繞太陽運轉
引力與電磁力、弱相互作用力及強相互作用力一起構成自然界的四大基本相互作用。在這四種基本相互作用中,引力是最弱的一種,但同時也是一種長程有效作用力。在現代物理學中,引力一般由廣義相對論來精確描述,認為引力反映了物體的慣性在彎曲時空中的表現。而經典力學中的牛頓萬有引力定律則是對引力在通常物理條件下的極好的近似描述。
圖解:物體品質產生的時空畸變的二維類比。物質改變了時空的幾何學,這個(彎曲的)幾何學被解釋為引力。白線並不代表空間的曲率,而是代表施加在彎曲時空上的座標系,在平坦時空中,彎曲時空是直線的。
在地球上,地球對地面附近物體的萬有引力賦予了物體的重量,並使物體落向地面。在宇宙中,引力讓物質聚集而形成天體,同時也讓天體之間相互吸引,形成按照軌道運轉的天體系統。此外,月球以及太陽對地球上海水的引力,形成了地球上的潮汐。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3. astro- Hope