太陽重2000億億億噸,為何還能懸浮在宇宙中,而不會掉下來?

天空之城 2020/12/15 檢舉 我要評論

雖然天上的太陽看起來並不大,但它實際上要比我們所生活的地球大得多。太陽的直徑將近140萬公里,質量高達2×10^30千克,即2000億億億噸,或相當於地球質量的33.3萬倍,整個太陽系總質量的99.86%。

既然太陽這麼重,為什麼它還能懸浮在宇宙中,而不會掉下來呢?

生活在地球上的人類對於重量都會有一個直觀的感受,物體越重,越不可能脫離地表。由於地心引力的存在,地球上的物體都有掉下來的趨勢。如果飛機沒有動力,鳥兒沒有揮動翅膀,它們都會掉下來。

但在宇宙中,無論是我們的地球本身,還是質量更大的太陽,或者是夜空中的那些星星(肉眼可見的大都是比太陽更大的恒星),甚至是質量達到太陽上萬億倍的星系,它們都是懸浮在太空中。

之所以天體不會掉下去,能夠漂浮在太空中,一個簡單的回答是宇宙中並不存在一個「下面」的地方,這與我們在地球上的認知完全不同。不過,這樣的回答還是沒有解釋天體懸浮的真正原因。

在地球上,我們會有上下的概念,這與地心引力有關。地心引力時刻讓物體受到一個指向地心的引力,這個作用力的方向就是我們所說的「下方」,「上方」則與之相對。由於地球是個球體,所有位置的引力都是朝著地心,所以地球上不同位置的向下方向是不一樣的,「下方」其實是相對於地心而言。

如果通過某種方式讓我們感知不到地心引力,我們也就不會有方向感,例如,宇航員在太空中繞著地球快速轉動,他們處於失重的狀態,無法感知到地心引力,也就沒有上下的概念。

宇航員之所以會處於失重狀態,懸浮在太空中不會掉到地球上,是因為他們有著足夠快的運動速度。試想一下,用力扔出一個小球,它的初速度越快,水準前進距離也會越遠。雖然小球沒有動力,豎直方向上還會受到地心引力作用,試圖讓小球掉下來,但由於地球表面是彎曲的,如果小球的水準初速度快到某個臨界值,它可以一直向前飛,不會撞上地表。

在這種情況下,小球會繞著地球做圓周運動,地心引力充當向心力,此時小球對應的速度被稱為第一宇宙速度,大約為每秒7.9公里。由於地表有空氣阻力和山脈的阻擋,需要到100公里以上的太空中才能實現這種圓周運動。

在距離地表400公里的軌道上,宇航員以7.7公里/秒的速度繞著地球運動。宇航員每時每刻都會落向地球,但速度足夠快,地心引力無法把宇航員拽回地球上。

同樣地,地球能夠懸浮在太空,是因為它正以每秒30公里的軌道速度環繞太陽運動,這能讓它免於掉進太陽中。由於太空中沒有阻力,地球一開始就有初速度,所以它繞著太陽轉不會停下來。

太陽也有公轉運動,它的繞行中心位於2.6萬光年外的銀河系中心,這是銀河系所有物質共同的引力中心。太陽的軌道速度為220公里/秒,大約2.3億年繞著銀心轉動一圈,這能讓太陽避免掉入銀心,從而讓太陽看起來像是懸浮在宇宙中。

總結

宇宙中不存在絕對的上下方向,上下均是相對於引力方向而言。宇宙中的天體都在運動,沒有運動的天體早已掉進引力中心,所以剩下的天體都是懸浮在太空中。

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