在宇航员从外太空拍摄的几千张地球的照片中,我们都可以看到地球是漂浮在宇宙空间的,但实际上,地球一直在往下掉。为什么这么说呢?首先我们要了解宇宙空间中“下”的定义,在太空中,所谓“下”就是指重力的方向,就像我们在地球上,“上下”也是相对的,你不能说亚洲在北美洲的下方,也不能说北美洲在亚洲的下方,只能说脚踩的方向也就是朝向地心重力的方向就是下。
因此,所谓地球向下坠落就是向着太阳系中心也就是质量占据整个太阳系99%以上的太阳坠落。那么既然如此,为何地球没有被太阳吸进去呢?
可以想象一下,我们站在地球上一座高山的山顶上,眺望着远方的风景,在我们身旁,一门巨大的炮台耸立着,调整炮台的角度,将炮口指向水平方向。随着一声巨响,炮弹从炮管中射出,迅速穿越空气,向着远方飞去。在这种情况下,炮弹会因为惯性向水平方向运动,同时受到地球引力的影响而逐渐向下也就是向垂直于地表切线的方向偏离。
因此,炮弹的飞行轨迹就像是曲线,而曲线的曲率与炮弹的速度成正比关系。如果炮弹的速度较慢,那么曲线的弯曲程度就会更加明显;相反,如果炮弹的速度较快,曲线的弯曲程度就会相对较小。如果炮弹很慢,它就会飞得很低,最后会掉到地上去,反之,炮弹飞行的路线就会变得越来越直,不再弯曲。最终,路线曲率就会等同于地面曲率。这样一来,炮弹就会一直保持与地面的相对距离。
所以,炮弹确实在向下掉,但却永远接触不到地面。这个想法事实上是牛顿最先提出的,类比到地球与太阳,就能够明白地球为何不断向太阳方向掉落,但却不会掉进太阳里面,就是因为它有恒定的公转速率,它和太阳的距离就会维持动态平衡。
为什么说是动态平衡呢,比如像国际空间站、卫星这样的,和月球、地球不同,它是绕着地球飞,会给地球吸引,降低高度,隔几个月或几年需调整一下它的离地高度。
地球当成空间站绕太阳飞,但太阳也有吸引力,所以离太阳的高度也降低,问题是没有这么大的动力来调整地球离太阳高度,所以准确来说地球目前是绕太阳椭圆轨道运行,如果地球离太阳慢慢降低高度,地球就会慢慢变成圆型轨道绕太阳,最后高度进一步降低,地球就会降落在太阳表面了。
地月系统也是如此动态循环,到达最大距离后就会缓缓靠近,地月还不是同步卫星,目前只有月球被地球潮汐锁定,而地球的自转相比月球公转还是太快了。
潮汐作用就会讲地球的自转角动量转移到月球的轨道角动量上,结果就是地球自转变慢,月球轨道升高,直到成为同步卫星,达到最大距离。缓慢靠近就是轨道高度掉了,能量耗散了。近地轨道的话与大气摩擦是能量的主要耗散当时,但对于月球那个高度的轨道基本没影响了。