日常經驗告訴我們:萬物都會“往下掉”,這是地球引力的作用。而如果你在太空中觀看我們的地球,會發現地球像是一直“懸浮”在太空中,貌似並沒有往下掉,為何會如此?
需要從以下幾個方面來分析這個問題。
首先,地球(或者是其他星球)真的是“懸浮”在太空中嗎?
非也!不但不是懸浮在太空中,恰恰相反,地球真的是一直在“向下墜落”!
如何理解?
舉個例子,一個非常通俗易懂的例子,你甚至隨時可以在現實生活中重現這個例子。
在大馬路上隨便撿起一塊石頭,向前扔,你會發現石頭會飛出一段距離,但總是會墜落到地面上。
當然你力氣越大,石頭飛出的距離就越遠,但石頭還是會落到地面上。
接下來放飛你的思想,來個思想實驗。假設你擁有無窮大的力量,隨著你扔石頭的力量越來越大,石頭飛出的距離也會越來越遠。
接下來你肯定感覺到什麼了!
沒錯,總有一個力量的臨界點,當達到這個臨界點,石頭就不會墜落下來了,而會成為地球的“衛星”,一直繞著地球執行。
但不會墜落下來,不代表石頭就沒有墜落的趨勢,不代表石頭就是懸浮的。實際上石頭一直在朝向地球墜落,說得更通俗點就是石頭一直在做“自由落體”運動,只不過是有“水平”方向速度的自由落體運動。
假設你的力氣差一點達到臨界點,會發生什麼?
石頭會繞地球一圈,然後落到你腳後跟那裡(當然是理想情況,這裡就不要較真了!),然後你的力量稍微大一點,石頭就不會墜落到地面了。
這也是著名的“牛頓大炮”的設想。當石頭墜落的弧形與地球的球體弧形一致時,石頭就不會墜落到地面。
而地球不正是一塊巨大的“石頭”嗎?
其次,我們通常所說的“向下墜落”具有很大的侷限性,只適用於地球(或者其他星球)的表面,在地球上我們能很好地定義“上下”,但到了浩瀚太空,定義“上下”就沒有這麼容易了。
或者說,在太空中,根本無所謂“上下”,沒有“上下”的概念。
地球倒是想“向下墜落”,但哪裡是“下”啊?
最後,地球倒是想掉入“宇宙深淵”,但“宇宙深淵”到底在哪裡?或者說“宇宙深淵”到底是什麼?
正如剛才所說,地球確實在“向下墜落”,但這裡的“向下”仍舊是一個區域性概念,在太陽系範圍內,地球確實一直朝著太陽的方向墜落,但墜落的弧形正好與太陽弧形一致(當然也是理想情況,實際上地球軌跡是橢圓),所以不會落到太陽表面。
說白了,地球其實一直在朝著太陽做自由落體運動,正如空間站同樣朝著地球做自由落體一樣,這也是為什麼空間站上的宇航員會完全失重,自由落體當然會失重了!
從物理學角度來講,地球其實在沿著時空的“測地線”在運動。
何為“測地線”?
類似於“平面上兩點之間直線最短”,時空的“測地線”就是時空的最短距離。
而廣義相對論告訴我們,時空並非是平直的,而是彎曲的,引力的本質正是時空的彎曲。天體沿著彎曲的時空做測地線運動。
有一句話形容,就是“時空告訴物體如何運動,物體告訴時空如何彎曲”!
有質量的物體(尤其是大型天體)可以讓時空發生彎曲,然後物體沿著彎曲的時空結構運動。
有人可能會有疑問:時空朝哪個方向彎曲呢?
不是上也不是下,只會朝著物體的質心彎曲,就像下圖那樣,運動的物體讓周圍的時空彎曲。
當然,有人還會有疑問:地球向太陽墜落,太陽向銀河系中心墜落,銀河系向哪裡墜落呢?……
如此追問下去,問題就會演變為:我們的宇宙為何不墜落?
哲學上這種思想:任何問題一旦追問下去,都不會有答案,都會走向死衚衕。科學也屬於哲學一部分。
當然,並不是說不讓問,科學本來就是一步步揭開宇宙和大自然的神秘面紗的,如今人類瞭解的宇宙奧秘連九牛一毛都不如,或許有更深層的奧秘隱藏在背後,需要我們人類不斷努力太多!