古希腊时期,数学家埃塞托色尼曾用太阳光直射原理算出了地球的直径,这是一则著名的趣闻。
不过,按照人们传统的认知,地球悬浮在宇宙空间中,没有重量,如果要计算地球的质量,那么埃塞托色尼的这则故事就变成了一则笑话。
然而,埃塞托色尼的故事并不仅仅是一则笑话,事实上,根据广义相对论,地球并不是“悬浮”在宇宙空间中的,而是一直在向太阳跌落。
那么,既然地球在不断向下坠落,为什么地球还能飘在太空中,不会像跌落的苹果一样,坠向太阳?
那么,根据广义相对论的观点,为何地球还能飘在太空中,而不会向下坠落呢?
在人们的印象中,地球被认为是悬浮在宇宙空间中的,因此,这也决定了地球没有重量,这一点在人类科技发展的过程中也得到了验证。
人类的太空探索史上有数不清的卫星、探测器,都曾在轨道上飘荡,人类也曾在太空中飘舞,人们在太空中来回飘荡,却始终没能将地球“压”下来。
因此,人们对于宇宙中的物体都是一种普遍的认知:“物体在宇宙中是可以自由飘动的。”
这种认知也直接导致了大多数人都拒绝相信地球会是一种“悬浮”的状态,相信地球一定是在太空中自由飘动的。
但是,根据广义相对论的观点,地球其实是在一直向太阳跌落的,那么这究竟是怎么回事呢?
其实,广义相对论正是提出了宇宙中物体的运动规律的理论,相较于牛顿的万有引力定律,广义相对论更加深刻地解释了宇宙中的引力规律。
根据牛顿第二定律:“物体受到的净合外力等于物体的质量与加速度的乘积”,物体就会受到引力的作用,向地球的重心方向运动。
这一点也被埃塞托色尼用来算出了地球的直径,不过这只是牛顿提出的引力理论的部分内容,当物体在地表其它位置,受到的引力作用就会发生变化。
因此,牛顿的引力理论适用于小质量物体,对于大质量物体就显得力不从心,随着爱因斯坦在20世纪初提出了广义相对论,引力理论逐渐被完善。
根据广义相对论,空间和时间是密不可分的,即时空,空间和时间是相互影响,而物体受到引力的作用,就是因为空间被引力所扭曲。
在宇宙空间中,由于有各种各样的星体,其中大质量星体的引力势能就会非常大,因此,大质量星体会使空间产生扭曲,一般来说,小质量星体会沿着大质量星体扭曲出来的轨道运动。
在地球表面,由于地球的质量中心位于地核,因此,地球吸引地表物体向地心坠落,这也就是牛顿引力的概念,但是在宇宙中,地球失去了“下坠”的理由。
地球周围虽然也有很多星体,但是这些星体的质量都比地球大得多,因此,地球受到这些大质量星体的引力,不会向它们靠拢,而是绕着这些大质量星体旋转。
在宇宙中,一个物体会受到来自各方向的引力,而且这些引力是相互作用的,这就会使物体在宇宙中不断地向大质量物体跌落,同时又不断地绕着大质量物体公转。
这样一来,物体就处于一种平衡状态,这种平衡状态也就是物体在宇宙中的自由落体状态,这是由引力所扭曲形成的效应。
天体系统的公转过程,实质上就是跌落过程,天体绕谁公转就是在向谁坠落,而物体的速度恰到好处,使物体保持平衡不坠落,这也是物体在宇宙中飘动的原因。
而塞托色尼的故事,也正是依托于这一点,他用太阳光直射的原理,计算出了地球的直径,而太阳光中包含了太阳的质量,因此,人们可以用太阳光直射地球的原理,来计算出地球的质量。
爱因斯坦在提出广义相对论的时候,就是要解决牛顿引力理论的弊端,广义相对论认为:“引力并不是一种相互作用的力,而是一种物体对时空的扭曲造成的力。”
牛顿引力理论认为:“两个质量分别为m1、m2的物体之间,如果距离为r,那么两个物体之间的引力为F=GMm/r^2,G为万有引力常数。”
根据这个公式,卡文迪许等人通过测定万有引力常数,来计算出地球的质量,而他们最终得出的地球的质量,正是埃塞托色尼所算出的数据,这也是埃塞托色尼所用的太阳光直射的原理。
而广义相对论则认为:“引力是由于大质量物体所扭曲的时空,使小质量物体产生的运动状态。”
在宇宙中,一个物体会受到来自各方向的引力,物体在受到引力的作用后就会产生运动,这种运动状态是物体在向大质量物体跌落的过程中产生的,也就是物体所在的自由落体状态。
因此,物体在宇宙中不断向大质量物体跌落,但是又不断地绕着大质量物体公转,这就使这些物体处于一种平衡状态,这种平衡状态也就是物体在宇宙中飘动的原因。
然而,广义相对论的观点还不止于此,它还解释了物体在宇宙中飘动的另一个重要原因,那就是引力扭曲了时空,使周围的物体靠近。
在我们的三维宇宙中,天体并不是“压出了凹陷”,而是造成了全方位无死角的吸引源,这就是引力的一个特点:“引力是全方位无死角的,无论从哪个方向接近都会受到引力的作用。”
因此,一个物体会受到来自各方向的引力,而且这些引力是相互作用的,如果一个物体受到别处物体的引力,这个物体也会对别处的物体产生引力,这就是引力的相互作用性。
正是因为引力的相互作用性,使得物体在宇宙中不仅会受到一个大质量物体的引力,同时还会受到其他物体的引力,这些引力是相互作用的,物体就会受到很多方向的引力,从而产生运动状态。
引力不仅影响天体的运动,它还影响光线的传播路径,当光线经过引力较大的区域,就会产生重力透镜的现象,这种现象就是在宇宙中发现的引力透镜。
此外,引力还会影响光线的传播路径,当光线经过引力非常强的区域,就会产生黑洞的现象,这种现象就是引力非常强的天体,例如恒星等,引力非常强,会使光线无法逃离,形成黑洞。