地球为什么不会往“下”掉?引力的本质是什么?

很多人经常会纳闷:“地球悬空为何不坠落到宇宙最底层?”,这其实是一个比较常见的误区,或者说,这应该是在地球上特有的一种现象,导致很多人认为宇宙也是这样。这个误区其实和引力有关,那具体是咋回事呢?今天,我们就来聊一聊。

重力

人会有“最底层”的误区主要是因为“力”的存在。根据牛顿第一定律,也就是:任何物体都会保持匀速直线运动,或静止状态,直到有外力迫使它改变运动状态为止。我们平时在地球上,其实受到了地球重力的影响。

而这个重力其实和引力以及地球自转有关。这个力总是竖直向下的,从视觉上就是指向地面上的。所以,苹果掉地上是因为苹果受到了重力。人不会飞起来,也就是因为重力的存在。

实际上,同样的事情,我们看一下太空中的情况就可以了解。我们都知道,宇宙员在太空中是失重状态,如果宇宙员在飞船中,他就不会往竖直向下的掉,而是可以随心所欲地动,甚至飘来飘去。这就是因为他们没有受到重力。

而他们要改变自己在飞船中的运动状态,说白了就是要通过“力”来实现,这也是完全遵守牛顿第一定律的。

万有引力

知道了这些,我们再来看看地球,要了解地球的情况,就得分析一下地球受没受力,受了什么力?

我们都知道物质之间是有引力的。

实际上地球的受力很复杂,首先,它受到最主要的力是太阳的引力。其次,是月球给的引力。当然,地球还会受到周围行星的引力。

不过,这些引力加起来,也不如太阳的引力大。要知道太阳的质量占据了太阳系总质量的99.86%,是太阳系内绝对的主宰。而地球在太阳的引力之下,是绕着太阳做运动的,轨道是椭圆形的。

所以,如果非要说地球的“最底层”,实际上是指向太阳的方向。但由于地球具有一定的初速度,因此,可以绕着太阳做运动。也就是说,从牛顿的万有引力定律和牛顿第一定律来看,宇宙并不存在“最底层”,这其实是居住在地球上的人类代入感太强导致的。

爱因斯坦的相对论

不过,牛顿的引力定律是使用弱引力场的,当然,日地系统其实也是一个弱引力场的系统,所以,用牛顿的万有引力定律其实没有什么问题。不过,牛顿其实一直没有解释明白引力到底是什么,他认为引力是一种超距作用。意思是万一太阳消失了,地球就会立马沿着轨道的切线方向飞出去。

不过,后来爱因斯坦提出了完全不同的观点,爱因斯坦先是在1905年提出了4篇具有开创性的论文。其中后两篇的第一篇统一了“时间”和“空间”,他认为时间和空间不应该分立开来看,而是应该结合起来看,所以,提出了"时空”的概念,而我们生活的世界就是四维时空。第二篇论文,爱因斯坦统一了能量和质量,并提出了著名的质能方程。这两篇论文也被称为狭义相对论。

到了1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,这个理论就可以来解释引力的本质,他认为引力的本质是时空的弯曲。

地球会绕着太阳转,是因为太阳扭曲了周围的时空,地球只是沿着四维时空的“直线”(专业术语:测地线)在运动,如果我们放在二维平面上来看,就是下图这样。

广义相对论后来在1919年被天文学家爱丁顿带队通过观测证实了,这也使得爱因斯坦一举成名。

随着后来越来越多的实验和观测,一次次地证明了广义相对论是比牛顿的万有引力定律适用范围更广的理论,广义相对论也成为了主流的引力理论。

而在广义相对论当中,其实地球就是在“最底层”,只不过是在“四维时空”的“最底层”,就好像是贴着“四维时空”的“地面”在运动。因此,从这个角度来看,地球并无法再向下坠落了。

如果太阳突然消失了,根据广义相对论,我们可以知道,地球要在8分20秒之后才会从轨道的切线方向飞出去。在此之前,水星已经先飞出去了,然后是金星,然后才是地球。