为什么天体可以漂浮在宇宙中?

《为什么天体可以漂浮在宇宙中?》

宇宙中的天体不能漂浮,或产生这种疑问,其实都是人们直觉上的一种误解,因为我们生活在地球表面,在地球上繁衍和进化,我们已经习惯了所有的物体都被牢牢地控制在地面上,在地球上没有任何东西可以不依赖于地面的支撑力而存在。

《为什么天体可以漂浮在宇宙中?》

你可能会想那飞机和鸟儿就可以离开地面,而它们只是因为空气给了其向上的浮力,但空气也是依赖于地面的支撑力,飞机和鸟儿会通过空气间接的将自身的重量传递到地面上。所以我们已经习惯了任何东西在没有受到支撑力而下落的情况。

《为什么天体可以漂浮在宇宙中?》

在1687年牛顿提出万有引力之前,我们在地球上所看到的情况,真的很难解释为什么所有的天体都可以“漂浮”在天空上,而且还做着规律的运动。但这种奇怪的现象也需要要得到解释,因为在古希腊时期人们就提出了这样的观点,他们认为我们的世界,也就是地球上的一切物质都是由四种基本元素组成的,分别为土、水、气、火。较重的元素,例如:土和水,就会依次沉降、而较轻的元素,如气和火就会漂浮在较重的元素上。

《为什么天体可以漂浮在宇宙中?》

以上的说法貌似是解释了我们在地球上所看到的一切现象,但是它解释不了宇宙中其他天体为什么漂浮在宇宙中,以及它们为什么会运动等,这些本质性的问题。在当时人们心中的太阳系模型还是地心说,这套理论虽说能解释一些我们观察到的天体运行规律,但是它并给不出具体的原因。

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1543年哥白尼在其临终前发表了《天体运行论》,首次质疑了统治人类几千年的地心说,日心说的出现虽然给了人们更加准确和简单的太阳系运行模型,但是也没有解释天体运动的本质问题,甚至哥白尼的日心说在当时还没有托勒密的地心说对太阳系运行的描述准确。因为哥白尼认为所有天体的轨道都是完美的正圆形。

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虽说日心说的出现一开始并没有让大众得以接受,因为其缺乏数学支撑而且对太阳系的描述并不准确。但是有一个人坚信哥白尼是正确的,并且继承了哥白尼和自己老师(第谷·布拉赫)的衣钵,在1609到1619年间发表了行星运行三大定律,完美的解释了太阳系中当时所观察到的一切运动现象。但是开普勒并不是清楚为什么天体会互相运动,他也不清楚为啥天体能漂浮,而地球上的一些东西都要下落。

《为什么天体可以漂浮在宇宙中?》

其实以上的所有问题,现在看来都不是问题,因为人类科学史上一代伟人牛顿的出现可以说解决了人类当时能观察到的一切物理运动,小到地球上的马车、飞机,大到太阳系中所有天体运动的本质,乃至整个星系的相对运动都可以用牛顿理论(引力和三大定律)来解释。

在地球上所有的物体想要相对的静止不动,受到的净外力都需要为零,也就是说力的存在是物体运动的本质,没有受到净外力的物体它就会保持自身初始的运动状态,这包括静止和匀速直线运动。所以匀速直线运动和静止都是物体本身固有特性,它们两个任何一个都没有特殊之处。

《为什么天体可以漂浮在宇宙中?》

我们生活在地球上,所有物体会下落只是因为受到了力的作用,而这个力正是地球的引力,我们能稳定地待在地面上也是因为引力和地面的支撑力相互平衡。而引力的存在也给我们人类一种方向感,所以我们在地球上规定出了上下左右或者东南西北。反观宇宙中的天体,我们就拿地球来说,它在太阳系中受到最大的力就是太阳的引力,因此它可以在引力的作用下一直绕太阳运行,其实也是在一直往太阳的方向坠落,但由于地球有一个很高的沿轨道上的切线速度,所以地球一直在坠落,但一直会错过与太阳表面相撞。

《为什么天体可以漂浮在宇宙中?》

如果我们降低地球沿公转轨道上的切线速度,那么地球就会螺旋靠近太阳,也就是坠落在太阳表面。换句话说,所有在其轨道上运行的天体,都在向自己的引力源坠落,但是是水平切线上的速度又导致了与引力错过。

如果我们把地球从太阳系中拿出来,放进空旷的星系空间中,那么地球本身就不会受到任何力的左右,那个根据牛顿理论,一个不受力的物体会一直保持自身初始的运动状态,地球要么静止不动,要么匀速直线运动。

总结一下

《为什么天体可以漂浮在宇宙中?》

人类的直觉都是在地球上形成的,地球上的环境造成了我们直觉上的错误,认为物体只要漂浮肯定是受到支撑力,没有支撑力就会下坠。但是对于宇宙来说,漂浮才是常态,因为没有力就没有运动,而运动只是受到了力的作用。并且在宇宙中没有方向一说,方向这种说法完全是人类的感觉和定义,在宇宙中任何方向在物理学上都是等价的。并没有下坠这么一说,因为就没有下这个方向,而只有运动。

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