為什麼地球懸在宇宙沒有什麼東西托住它,但是它掉不下去?

萬有引力

首先,我們要擯棄一個思維定式,這個思維定式其實就是:什麼都東西都會往下掉。

如果我們逃脫出地球,以視角來看這個問題,我們就會發現,東西都往下掉的根本原因在於萬有引力。

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也就是說,萬物之間都存在彼此吸引的力,但是這個力特別小,是四大作用力當中最小的一個。

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牛頓還給出了計算引力的公式,根據這個公式,我們知道引力和物體的質量成正比,和兩個物體之間的距離的平方成反比。

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我們要知道的是,地球的質量5.965*10^24千克,因此,地球對地球上大多數的物質都有十足的掌控,能夠把它們束縛在地球的引力範圍內。而我們能能夠站在地球面上,其實也和引力是直接相關的。

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如果你到太空當中,也就是說在失重的狀態下,就會很容易飄起來。

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而在宇宙中,地球是繞著太陽轉的,是太陽吸引地球,所以對地球來說,他的“下”,其實是朝著太陽的方向。也就是說,本質上我們在地球上感受到的“下”其實和我們自身所受到的‘作用力的和’有關。

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而太陽是繞著銀河系的質心在運動的,就如同地球繞著太陽轉是一回事,因此,對於太陽而言,太陽的“下”是銀河系的質心。

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我們從這裡就應該可以深刻感受到牛頓力學的魅力,牛頓第一定律是這麼說的:

任何物體都會保持勻速直線運動或者靜止狀態,只有外力能迫使它改變運動狀態。

從牛頓力學的角度上看,如果你把一顆星球放在一個完全空曠的宇宙空間中,並且讓它靜止在那裡,(所受合力為零,或者不受力。)這時,星球是不會動的,更不會跌落。因為,沒有力驅使它動。

愛因斯坦的廣義相對論

當然,以上都是我們在用牛頓力學解決對應的問題,牛頓力學在宏觀低速的世界裡是十分準確的,如果從引力的視角上看,我們可以把引力在空間中的作用看成是一個引力場,也就是類似於電磁場這樣的一種場。

那麼這個在作用強度比較弱的引力場下(簡稱為“弱引力場”),牛頓力學其實是非常精確的。但是有弱就有強,如果到了強場的情況下,說白了就是引力很強(比如:太陽旁邊)的時候,牛頓的萬有引力定律就會出現很大的偏差。(這件事已經被實際觀測所證實,1919年,愛丁頓帶隊觀測太陽周圍的星光偏折。)

實際的觀測讓我們知道,這個時候只有愛因斯坦的廣義相對論對於引力的描述可以適用。而廣義相對論對於引力本質的表述其實是:

引力的本質是時空的彎曲

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就拿太陽系來說吧,(由於四維時空用圖示很難表述,我們降到平面維度來看。),太陽壓彎了周圍的時空,而地球呢?其實是沿著時空的“直線”(其實叫做測地線。)在運動。所以,如果你一定要找是什麼托住了地球,那就是四維時空托住了地球。

(我們可以把這個二維平面想象成四維時空,時空就好比一張軟床一樣,被太陽壓彎,而地球其實就是沿著這個壓彎的斜面在運動。)

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而地球的運動實際上是符合牛頓第一定律的,只不過它是在四維時空中符合牛頓第一定律,從我們的視角上看,也就是橢圓軌道的運動形態。

(補充一下:廣義相對論無論在強引力場還是在弱引力場都同樣適用,尤其是它在弱引力場下是可以等效成牛頓的萬有引力定律的,因此,我們可以說,廣義相對論在弱引力場下兼容了萬有引力定律。同樣的,狹義相對論在宏觀低速下也兼容了牛頓定律。)

所以,最後,我們來總結一下,從萬有引力的角度來看,根本不存在所謂的“下”,也就不需要什麼東西來“托住”。而從廣義相對論的角度來看,天體包括萬物其實是都在四維時空當中的,引力的本質是時空的彎曲,天體只是在沿著測地線在運動,也就是說是四維時空托住了天體。


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