地球重达60万亿亿吨,为什么能漂浮在太空中

地球在太阳系八大行星当中,其实算不上个头大的,质量只能排到第五名。但是哪怕是这样,地球的重量依旧能达到60万亿亿吨。

地球重达60万亿亿吨,为什么能漂浮在太空中

此前,许多人十分不解,按理来说地球这么重,在宇宙中应该像铅球一样“下坠”才对,可是它却稳稳地在一个位置,并且还能同时兼顾自转和公转。

那么,这么重的地球,到底为何能飘在太空中,而不向下坠落呢?接下来,就让我们一起来看看吧!

宇宙中的地球构想图
宇宙中的地球构想图

地球的重量

人类虽然自诩地球上唯一诞生过文明的物种,但是其实在科技有了较大的进步前,一直对地球知之甚少。相信直到现在,许多人对于地球的“三围”到底是多少,都不是特别的了解。所以,咱们先来回顾一下地球的基本信息,尤其是它的重量。

地球的直径为12756千米,平均密度是5507.85千克/立方米,质量或者说是重量为5.97×1024千克,体积为1.08×1012立方千米。这就是地球三围的基本情况,其重量四舍五入之后大约就是60万亿亿吨。

科学家们是如何测量地球的呢?
科学家们是如何测量地球的呢?

有人可能会想,这个重量是怎么得到的,难道说科学家真的造了个“秤”,去给地球称重了吗?

显然以地球的体格来说,咱们是造不出这么大的秤的,所以科学家还是根据计算得出这个结果的。

在1789年时,英国的著名物理学家亨利·卡文迪许就通过“扭秤实验”算出了地球的质量。当他公布这个结果的时候,不少人都不相信,认为他的数据肯定是有错的。不过,根据后来的验证结果来看,卡文迪许算出的地球质量与如今的数据误差很小。

卡文迪许扭秤实验示意图
卡文迪许扭秤实验示意图

他之所以能够通过实验和计算得到地球的质量,与牛顿的万有引力有着密切的关系。因为其扭秤实验本身就是根据万有引力定律,求出引力常数G,然后再将其代入公式进行计算就可以得到结果了。

值得一提的是,不仅卡文迪许给地球称重需要用到万有引力定律,就连地球以60万亿亿吨的重量在宇宙中能不下坠也与万有引力相关。

引力效应示意图
引力效应示意图

地球“飘在空中”的奥秘

关于地球会向下坠的认知,其实是我们的一种误解。因为在地球上你尚且可以以某个参照物,来区分出上下左右,但是到了宇宙当中,上下左右就无法界定了。毕竟宇宙的尺度和天体在其中的状态,都决定了在宇宙中不能用地球的“方位概念”去区别。

所以在这种情况下,地球在宇宙中“向下坠落”本就不成立,毕竟我们也无法说清楚,这个向下是朝着太阳奔去,还是远离太阳。

宇宙是没有方向也没有绝对位置的
宇宙是没有方向也没有绝对位置的

当然,这一点并不影响我们解释另一个问题,那就是为啥地球能飘在空中。

在我们的眼中,地球上下左右的极大范围之内都是一片空,没有支撑它漂浮的东西。但实际上,地球的漂浮不需要“托盘”或者“引线”,只需要万有引力就够了。

地球和太阳之间存在着万有引力
地球和太阳之间存在着万有引力

在万有引力的规律下,物体的质量越大代表着其引力越大,因此太阳系当中的引力王者肯定是太阳。而作为王者,肯定是要收一些“小弟”的,就这样太阳系的各大天体在太阳的引力吸引和束缚之下,成为了它的孩子,在既定的轨道之上围着它做运动。

简单来说,地球和太阳之间看似相隔甚远,甚至说没什么表面的关联。但实际上,太阳强大的引力就像是无形的丝线,正在牵着地球。这根丝线十分强大,它不仅能让重达60万亿亿吨的地球“漂浮”在空中,还能扯着它环绕自己做运动。

地球的公转运动示意图
地球的公转运动示意图

万有引力确实能够让星系的结构维持在相对稳定的状态下,因为根据科学家的研究,太阳系在形成不久之后就一直维持着现在的状态。

不过,这种稳定并不会表现为“公式化”,即所有行星之间的距离都差不多。毕竟大家的质量和体积也是不一致的,所以肯定会表呈现出差异。

八大行星围绕太阳公转的速度都不同
八大行星围绕太阳公转的速度都不同

对于万有引力使太阳系维持稳定,早在1609年时就有科学家发表了相关著作,正是开普勒在《新天文学》和《世界的和谐》当中的论述。

他指出行星运动有三大定律,第一就是椭圆定律,指的是运动轨道是椭圆的。第二是面积定律,指的是行星到太阳的连线在相同的时间内扫过相同的面积。最后一点则是和谐定律,开普勒认为行星绕着太阳的公转周期的平方等于椭圆半长轴的立方。

开普勒三大定律示意图
开普勒三大定律示意图

综上所述,科学家确实不会用我们固有观念中的东西去对宇宙中的各个数据进行实际测量,但是他们能够凭借现有的公式推导出很多东西。就像卡文迪许那样,这大抵就是物理学的奇妙之处吧!

不过,万有引力又是如何被人们发现的呢?难道说科学家也是通过凭空想象就得到了万有引力的规律吗?

引力的概念图
引力的概念图

 

万有引力的发现过程

实际上,万有引力的发现与建立,是经过了漫长的积淀的。如今我们一提到万有引力,就会说这是牛顿的成就。殊不知如果没有亚里士多德、开普勒、胡克等人的研究基础,那么牛顿想得到万有引力定律是很困难的。

“砸出”万有引力定律的苹果
“砸出”万有引力定律的苹果

具体来说,万有引力定律的建立经历了以下三个阶段。第一阶段就是猜测,主要代表有亚里士多德、哥白尼等人,他们发现引力可以使物质聚集成球体,而天体结构的本质是数学。

第二阶段则是定性假设时期,这一时期的代表有开普勒、伽利略、笛卡尔等,以伽利略的观察为例,他发现了下落与重量无关,行星会绕着太阳做惯性运动。

开普勒(左)伽利略(中)笛卡尔(右)
开普勒(左)伽利略(中)笛卡尔(右)

到了第三阶段就是定量研究了,牛顿在此时终于出场。许多人说是一颗落地的苹果带给了他启示,实际上这种说法并不对,因为作为一名出色的物理学家,牛顿很早就在观察天体的过程中,发现了不对劲的地方。

资料显示,牛顿本人在1714年期间所写的回忆录中写出了他最初的思考过程:“1666年我开始想到重力是伸向月球轨道的……”

英国著名物理学家艾萨克·牛顿
英国著名物理学家艾萨克·牛顿

不难看出,早在1665年到1666年时,牛顿的脑海当中就已经有了万有引力的雏形,可是他依旧经过了二十多年的潜心研究才最终发表了相关理论,这无疑是很严谨的。

从牛顿这种“聪明人”都需要研究这么长时间的情况来看,万有引力其实在当时面对不少困难,比如理论上的困难、数学上的困难以及实验上的困难。更重要的是,许多人无法理解通过复杂算法得出的晦涩公式,所以会觉得科学家是在造假,殊不知物理学这种东西本来就不是只靠表面就能看出来的。

万有引力公式示意图
万有引力公式示意图

那么,万有引力定律得出之后,为这个世界带来了什么呢?

很显然,通过上文依靠万有引力定律得到的研究结果就能看出,它将人类的认知层次提升到了另一个高度。并且,它也成为了天体物理学领域当中的支柱性存在,大量的研究都是以此为基础的。

就以与地球相隔甚远的海王星和冥王星为例,那时的人们并未通过观测设备直接看到它们,但是却能通过“引力异常”的情况,推测出它们的存在。

处于太阳系边缘地带的海王星
处于太阳系边缘地带的海王星

除此之外,万有引力在天体的相互作用当中有着重要的地位,不论是分析各个星系还是比星系更大的结构,科学家都会用到它。如今,我们也通过万有引力知道了地球是如何称重的,以及它为何会在宇宙中“悬浮”。

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