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地球重达60万亿亿吨,为什么能悬浮在太空,不掉入宇宙深渊呢?

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  其实地球有多重大家并不是特别关心,但怎么说也比同体积空气重不是吗?但却能悬浮在宇宙中,绕着太阳日复一日,年复一年的公转,却不会往下掉,是不是很神奇?

  

  地球的质量60万亿亿吨是怎么来的?

  牛顿发现了万有引力现象,他在1687年给出了万有引力的描述:两个天体之间的引力和它们的质量成正比,与它们距离的平方成反比,写成公式大概就如下:

  

  写公式就是如上图,但牛顿当时并没有给出这个G(万有引力常数)的值,他也曾经想过,可以用一座巨大的山对一个铅锤的吸引,进而求出万有引力常数,再计算出地球的质量,可惜当时连牛顿都觉得这个不可能,因为和地球相比,山的质量微不足道!

  

  1773年英国皇家天文学家内维尔·马斯基林真的就测试了山对铅锤的吸引力,他选择了榭赫伦山(几乎是个标准的圆锥体,方便计算体积),并且附近只有它一座高山,经过数年的观测,他得出结论,铅锤被榭赫伦山吸引倾斜了11.6角秒,由此计算出地球的平均密度是榭赫伦山平均密度的1.8倍,继而算出地球总质量为4.772*10^24千克!

  

  榭赫伦山的偏远位置与对称山形对实验很有利

  其实这也算不错了,只差了20%,至少在同一个数量级以内,不过这个测量方法误差太大,而在榭赫伦实验后的10年后约翰·米歇尔想出了一个绝妙的扭称实验,测量万有引力常数,结果实验还没完善他就去世了,卡文迪许接手后继续实验,终于测出了万有引力常数!

  

  卡文迪许测得的万有引力常数

  这个数字准确度极高,只比2014年科学技术数据委员会推荐的万有引力常数值相差小于1%。因此用这个数字计算的地球质量5.965*10^24千克,也基本和现在差不离了!

  地球为什么能浮在太空中?

  地球的质量确实很大,与它相比,即使是所有的海水质量也没有它的万分之一质量,那么它为什么不会往下掉呢?首先我们有一个问题要确定一下,太空中怎么确定上下呢?

  

  我们都知道,宇宙飞船绕着地球在飞,“离心力”和引力抵消,所以在飞船中是失重的,飞船中的上下我们可以参考舱内的摆设来辅助辨认,但是到了舱外怎么区分,而且在任何轨道环绕地球飞行的时候,我们看到的地球都是一个球体,怎么分辨上下?

  宇宙中到底怎么来定义上下

  其实在宇宙中我们有一个简单的定义方式,找出地球的北极,很多人马上就明白了,指南针的N指向北极,所以北极就是上,结论似乎正确,但方法是错的,因为地磁的北极是S,那样N才会指向北极,所以北极另有判断方式,伸出右手,四指指向地球自转方向自然弯曲,然后大拇指方向就是北极!

  

  右手定则,判断北极方向

  因为人类大都在北半球,科学最早发展也是在北半球,所以一般的情况下,我们都是将北极朝上画的,这是习惯的上方!

  在太空中,真正地“下”在哪里?

  刚刚我们找出的下方,只是约定俗成,习惯上的下方,但对于地球来说,它的下方指向质心,也就是说我们每一个人站在地球上,脚下就是下方,所以对于地球来说,整个球体表面都比内部在更高的上方!

  

  但在太阳系中就不能这样来理解了,我们脱离了地球的参考系,在太阳系中,以日心为参考显然是比较合适的,地球绕着太阳公转产生的“离心力”和引力相等,所以地球遏制住了掉落太阳的趋势,因此对于地球来说,日心就是地球的下方!为什么地球没有下落是因为地球的公转,如果谁将它刹车至零,估计要不了多久,地球就掉入太阳了!

  

  用广义相对论的引力场示意图来理解上下也许更直观,一张图就能看出上下到底在哪里!地球上的人没有被太阳更大的引力吸走是因为,我们都在地球的洛希瓣之内,在这个范围内地球引力有绝对的控制权,分界点在日地拉格朗日的L1点!

  

  拉格朗日点

  宇宙中有真正的下吗?准确的说,应该是有的,至少每个星系肯定有,比如银心黑洞就是整个银河系绝对控制的“下”,从引力弯曲空间的角度来看,就如下图:

  

  太阳、中子星和黑洞对于时空的弯曲

  不过各位放心,太阳系在距离银心约2.6万光年的位置围绕银心公转速度超过220千米/秒,足以维持在这个位置继续公转,而且据说银河系存在暗物质才将太阳系抓住,要不然早跑了!

  

  比星系更大规模运动就不太好确认了,比如几亿光年内的星系都朝着巨引源运动,但却因为宇宙膨胀的原因永远都赶不到那里,因为银河系运行的速度只有600-800千米/秒,而就巨引源远离的速度却高达4400千米/秒!

  

  因为整个宇宙一直不断地在膨胀,1998年两位科学家还发现宇宙在45亿年前还加速膨胀了,是不是有点晕,不知道未来宇宙啥结果,但至少也会在千亿年后才发生,关我啥事呢?

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