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地球悬在太空中,为何不坠落到宇宙最底层?科学家:底层在哪?

如果你一觉醒来,发现自己悬浮在一个房间之中,房间是封闭的,四周的墙壁都是白色的,你是否能判断哪里是上,哪里是下?天文学家在探索宇宙的过程中就经历了同样的事情。

如果你一觉醒来,发现自己悬浮在一个房间之中,房间是封闭的,四周的墙壁都是白色的,你是否能判断哪里是上,哪里是下?天文学家在探索宇宙的过程中就经历了同样的事情。

地球悬在太空中,为何不坠落到宇宙最底层?科学家:底层在哪?

各向同性

从古至今无数的古人仰望星空的时候都想知道地球之外的世界有多大。随着人类科学技术水平不断的提升,我们有了太空望远镜,站在大气之外望向四处的空间,然后我们便得到了一个结论:怎么每个方向看起来都差不多。

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图:人类信使——哈勃望远镜

科学家得到的结论称为“各向同性”,意思是如果观察的距离足够的远,那么宇宙每个方向角度望过去都是差不多的,差不多的物质总量,差不多的密度,各处物质较为均匀。

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图:哈勃太空望远镜下的星空

宇宙的起源

目前主流的科学理论认为宇宙的起源始于一次热的大爆炸。热量代表着能量,巨大的能量炸出了宇宙万物。这就像原子弹爆炸,均匀的蘑菇云,均匀的能量波冲向四方,不偏不倚。

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不同的是原子弹在地球上,还有天上、地下之分。而宇宙是在一个三维空间之中,向四周抛洒出大量的物质与能量。而当我们悬浮在太空之中,望向各处,哪里都差不多,就像一开始说的那个密闭的房子之中,哪里是上?哪里是下?根本不到北!

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引力

如果这个房间在地球的大地上,上下是可以判断的,因为熟了的苹果会从树上落下,而你一觉醒来应该是躺在房间这个三维空间的一个面上,这个面就是“下”。

苹果落地砸到了牛顿,这或许只是一个故事,但万有引力定律是真的。根据牛顿万有引力定律,我们可以知道这个力源于两个物质的吸引。地球悬在太空中,为何不坠落到宇宙最底层?科学家:底层在哪?

地球质量巨大,把我们牢牢地吸在地表上,然后你会发现一个奇怪的事情,如果你站在北极,上下的方向,与南极上下的方向是相反的,因此地球上每个“下”的方向,实际上就是引力的方向。

(实际上由于地球自转,引力有一部分力抵抗了地球表面物体的离心力,所以下的方向是重力的方向,这里不扩展了。)

宇宙的底层

宇宙这个三维的空间中,并没有哪一面“墙”有巨大的引力,可以让星辰大海“躺”在地上。不过,宇宙中充满大量的天体,只要有两个或两个以上的物体存在就会有引力,无论大小。

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从太阳系来看,地球主要引力源于太阳。而对于太阳来说,它带着整个太阳系在银河系这个螺旋星系的一个小小悬臂上,而整个银河系也在一个巨大的引力源(矩尺座星团)下运动。这么来看如果把地球当作一个人说,哪里是下?近看是太阳,太阳总是拉着它,太阳是它的底层。远看是银河的中心,再远是引力源,那么引力源之外还有什么?

广义相对论

还是那个密闭的空间,如果我们在一侧墙上开一个小孔,让一束光从小孔中射进来,你惊奇地发现这束光线落在小孔对面的墙上并没有在同一水平高度,而是低了一截,或许光线进入房间后发生了弯曲,走了一条弧线轨迹。爱因斯坦说:NO,还有一种可能性是光线并没有动,而是房间在上升,就像是一个快速加速上升的电梯一样。

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爱因斯坦所描述的引力和牛顿物体间的相互吸引并不一样。用惠勒的话说:质量压弯了时空,时空告诉物质如何运动。光在被巨大质量的物体压弯时空中运动,于是光就像是被弯曲了一样。

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那么密闭的房间到底是在一个巨大质量的星球表面上,还是一个快速移动的电梯呢?这就是爱因斯坦的等效原理,引力与电梯的加速度是等效的。地球悬在太空中,为何不坠落到宇宙最底层?科学家:底层在哪?

平直时空

如果我们把时空画出一条条网格线,在没有物质的时空中,时空是平直的。根据目前人类目前的科技水平,在有限的宇宙中(931亿光年),我们发现时空的曲率几乎为零。

根据广义相对论,时空的弯曲来源于时空中的物质,或者说物质在原本平直的时空中“挖”了一个个坑,质量越大坑越大,例如:太阳“坑”很大,而银河系更大。质量越是致密,坑越深,例如黑洞。

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这些时空“坑”让我们感受到了引力的效果,如果没有这些“坑”只有地球孤零零的在宇宙中,四处望去空荡荡的,一片寂静,分不清方向,更是一片漆黑,因为没有光的来源,更不存在所谓的宇宙底层。

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