為什麼天體都漂浮在宇宙中，而沒有下墜？

2023-04-01 20:52:22

最早的重力理論

如果我們現在隨便看看張玉舟的照片，我們很可能會看到許多天體似乎「漂浮」在空無一物的宇宙上。

當然，這些照片大部分都是經過藝術處理的，只有少數是真正拍攝的。然而，看到這些照片會讓許多人明白為什麼這些天體會「漂浮」在宇宙上而不會墜落。

我們有這個問題並不怪。事實上，如果我們只在地球上觀察，在沒有任何現代科學知識的情況下，我們會有這個問題。古希臘人對此感到疑惑，因為我們在地球上看到的是地球上的一切都在向地面墜落，但是當它太空時，天體沒有下降的趨勢，而是圍繞著某個天體旋轉。

因此，當時的人們提出了一套理論。他們認為月亮下面的世界，包括地球，是由水、火和地球四種元素組成的。其中，水和土更重，容易掉在地上。火和空氣更輕，會遠離地面，但不會跑到月球上方的世界。

月亮上方是由以太構成的。這就把天球的物理定律和地球的物理定律分開了。天球不需要符合地球的法則，所以不會墜落。事實上，這個理論最終被納入地心理論，是地心理論的一部分。我們也可以把它理解為最早的引力理論。

這也就是亞里斯多德的世界觀，其要素之一是力是維持物體運動狀態的原因。如果你想一直跑，你必須一直輸出你的力量。

牛頓的萬有引力理論

後來科學逐漸發展起來，一群以哥白尼為代表的學者提出了不同的觀點，這在歷史上也被稱為哥白尼革命。然而，許多科學理論出現在那個時代，並沒有得到統一。直到牛頓出現，這些新出現的知識才被有機地結合起來。同時，牛頓也證明了萬有引力定律。

它還統一了地球上的物理定律和宇宙中天體的運動。這個常規理論可以解釋當時看到的大多數物理現象，也可以預測它們。因此，牛頓是科學史上最偉大的科學家之一，只有愛因斯坦能與他匹敵。

根據萬有引力定律和牛頓三定律，我們知道力是改變物體運動狀態的原因。地球上的東西會因為地球的引力而落到地面上。地球圍繞太陽旋轉的原因是因為太陽和地球之間有引力，而且因為地球有一定的初速度，所以它使地球圍繞太陽旋轉。

在地球上，我們總是有一種「墜落」的感覺，這種感覺本質上是由重力引起的，是由強大的作用力引起的。如果我們分析地球，地球實際上受到重力的影響，其中最大的來自太陽，然後是其他天體。一般來說，地球的力的方向是指向太陽的，也就是說，對地球來說，「下落」是指向太陽的方向。

在我們的視野中，地球的「底部」沒有任何力量，所以地球不會自然下落。

愛因斯坦的廣義相對論

當然，我們也可以用另一個角度來理解這個問題。我們都知道今天的引力理論實際上是廣義相對論。牛頓的引力理論只適用於弱引力場，而愛因斯坦的理論更為普遍。我們如何用廣義相對論來理解這個問題？

這從狹義相對論開始。愛因斯坦通過光速不變原理和相對論原理推導出狹義相對論。在這個理論中，他統一了時間和空。他認為兩者都會受到運動狀態的影響。時間和空不應該彼此分開，而應該組合起來並稱為時間空。我們生活在四維空中，介於一維時間和三維空之間。

後來，愛因斯坦想進一步推廣狹義相對論，他發現根本沒有重力。事實上，重力現象的本質是時間的彎曲空。讓我們以地球為例。地球彎曲周圍的時間空，而月亮實際上是沿著測地線的時間空移動。(測地線類似於二維平面中的直線，即兩個時間點之間的最短距離空。)坦率地說，這意味著當觸摸空時，它在移動，也就是說，當空時，它沿著「直線」移動。

同樣，地球圍繞太陽旋轉的原因是太陽彎曲了周圍的時間空，地球沿著測地線時間空移動。

因此，地球和其他天體沿著測地線時間空移動，所以它們沒有向下的可能性。他們已經在沿著時間空的「地面」前進。

摘要

因此，天體似乎懸浮在宇宙中，主要是因為我們生活在地球上的錯覺。在牛頓的體系中，力是改變物體運動狀態的原因。地球對地球表面的物體有吸引力，這就是為什麼我們覺得所有的物體都會「墜落」。然而，在太空的情況下，重力方向不是我們視野的下部，而是在天體之間的連線上，而地球的力方向實際上是朝向太陽的。事實上，在地球視覺的「底部」沒有力，所以它不會下落。如果我們從愛因斯坦的理論中理解，事實上天體在附著時已經在移動空。