地球质量达60万亿亿吨，为何还能飘在太空中，而不向下坠落？

　　释放任何物体都会让这个物体往下掉落，不管是一个铅球或是一根羽毛，失去支撑后都会掉向地面。从太空中来看，地球看起来就像始终漂浮在太阳系中一样，地球质量足有60万亿亿吨，为什么却能够一直保持＂悬浮＂状态呢？其实这个问题并不复杂，但许多被我们看作常识的现象，其中的道理往往被我们忽视，我们或许应该拥有更加旺盛的好奇心。
　　Tips:爱因斯坦曾说，没有特别的天才，只有强烈的好奇心。永远保持好奇心的人是永远进步的人。地球质量是如何确定的？
　　根据教科书的知识，地球质量大约是 60万亿亿吨，当我们不可能用普通的秤对地球的重量进行称量时，这个数字是如何确定的呢？
　　首先我们需要清楚重量和质量的区别，质量是一个物体固有的属性，放在任何环境下其值都是不变的。比方说，一个物体在地球上用台秤称的重量是6千克，那这个物体放到月球上用台秤去称就只有1千克重了。当然如果换做用托盘天枰来称重，得出的结果则依旧是6千克，因为法码的重量和这个物体的重量同时都变为原来的六分之一了。因此重量是受到引力大小的影响的。
　　Tips:即使存在一个巨型的秤，我们也无法称出地球的质量。
　　因此牛顿认为，想要求一个天体的质量还是得靠引力。但在当时，公式中的万有引力常数还没有被牛顿推算出来，因此无法算出地球质量。好在此时人们已经大概估计出了地球的半径和体积，因此牛顿设计了一个实验，认为只要估算出地球的平均密度就可以估算出地球的质量。
　　但由于牛顿提出的实验操作起来非常困难，便没有进行尝试。1778年，英国皇家天文学家内维尔·马斯基林带领引力委员会，通过对牛顿提出的实验进行了两年的实践和两年的数据计算，得出地球平均密度约为4500千克每立方米，与现在掌握的5515千克每立方米的误差较大。
　　十八世纪，英国物理学家卡文迪许通过扭秤实验 ，测量了相互吸引的金属球体之间的力，得出地球的平均密度是5448千克每立方米，与目前的测量值相比误差在1%左右。通过这项数据算出了地球的平均质量，也求出了引力常数。
　　Tips: 通过扭秤实验，库仑发现两点电荷之间静电力与距离平方成反比的规律；卡文迪许验证了牛顿的万有引力定律的正确性，并测出了引力常量。地球是飘在宇宙中的吗？
　　事实上，地球一直在往＂下＂掉。这也是一件好事，因为这使地球不会在自身的高速运动下飞出太阳系。引力是由质量引起的，所以质量大的物体，如行星和恒星，会产生强大的引力。由于太阳的巨大引力，地球和地球上的一切都在不断地向太阳下落。这不是一个比喻，在太阳的巨大引力下，地球确实在向太阳坠落。
　　那么为什么地球没有撞上太阳呢？因为地球有很大的侧向速度，由于这种侧向的速度，虽然地球不断向太阳坠落但都错过了太阳，也就是围绕着太阳沿轨道运动。这么说可能会让你感感到脑袋晕乎乎的，地球为什么会沿着轨道做圆周运动呢？
　　Tips:圆周运动是指在物理学中，质点的运动轨迹为圆或圆的一部分的一种运动。
　　牛顿有一个巧妙的方法来解释轨道的性质。假设在地球表面上有一门大炮，它径直向前发射炮弹，当炮弹向前飞驰时地球的引力不断拉着它，直到坠落到地面。由于炮弹发射时大炮给予它的动力让它有一个向前的初速度，因此炮弹不会在发射后立马落地，而是被向前带了一段距离。
　　现在再次发射炮弹，这一次的前进速度更高，炮弹最终仍下落并最终撞击地球，但由于它有更高的前进速度，球在撞击地球之前经过了更远的距离。如果你把球射得足够快，它仍然会下降，但永远不会击中地球，当速度达到一个临界值，炮弹坠落的弧形轨迹与地球的球体弧度变的一致时，最终将绕着地球转。这正是卫星所做的，要让一个物体绕地球运行，你只需给它足够的侧向速度，使它在下落时错过地球。
　　Tips:临界值是指物体从一种物理状态转变到另外一种物理状态时，某一物理量所要满足的条件地球坠向哪里？
　　牛顿从数学的角度，证明万有引力定律同样适用于天体，由此我们可以用它来预测月球的运动。
　　牛顿的万有引力定律表示，地球作用在一个物体上的力，应该和它离地球中心的距离的平方成反比。根据牛顿第二定律，力会产生加速度。像苹果这样的物体，在离地球中心一个地球半径的距离上，被观察到以每秒9.8米的速度向下加速运动。
　　Tips:在地球表面，从两极到赤道，重力加速度变小，纬度减小，重力加速度减小，所以重力变小。
　　月球离地球中心有60个地球半径的距离，如果重力以及由重力产生的加速度随着距离的平方而变小，那么月球所产生的加速度应该比苹果小得多。应该是1/60的平方倍，即1/3600倍，大约每秒0.00272米，这正是观察到的月球在其轨道上的加速度。
　　牛顿定律还意味着，引力永远不会变成0。它随着距离的增加而迅速变弱，但无论你走多远，它都会在某种程度上继续发挥作用。太阳的引力在水星比在冥王星更强，但在冥王星以外的地方仍能产生作用，天文学家有很好的证据表明，它不断地使大量较小的冰体在巨大的轨道上移动。
　　Tips:引力是质量的一个体现，只要宇宙中存在着质量，它们就会通过引力相互作用，质量越大，吸引力就越大。
　　当我们在电视上看到宇航员和物体漂浮在宇宙飞船上的图像时，为什么飞船上的宇航员似乎没有引力对其产生作用呢？毕竟，飞船上的宇航员距离地球表面只有几百公里，与地球的大小相比，这并不是一个非常远的距离，因此，这个距离，重力肯定不会有很大的减弱。宇航员感到 ＂失重＂，原因与电梯里电缆断裂或飞机上发动机不再工作的乘客感到失重一样：他们正在＂向下坠落＂。
　　当坠落时，他们处于自由落体状态，并以与周围一切同时加速，包括他们的飞船或他们正在拍摄地球的相机。产生这样的运动时，宇航员没有感受到任何额外的力量，因此感到 ＂失重＂。然而，与坠落的电梯中的乘客不同，宇航员是围绕着地球坠落，而不是向地球坠落；因此，他们将持续不停地坠落，或者说是在围绕地球的＂轨道＂上运动。
　　Tips:以围绕着做圆周运动的中心天体为＂下方＂，真实的宇宙是没有方位概念的。宇宙中如何分辨方位
　　东南西北是与地球有关的方向，由地球的磁场决定，而太空中缺少行星的指引，我们如何分辨地球大气层以外的方向呢？要回答这个问题首先要认识到，方向的存在仅仅是为了让我们在生活中在所处的空间里导航时更加方便，你可以将所有的方位术语的定义颠倒过来，比如把＂北＂定义为南，这对我们不会有任何负面影响，更不会让科学中的规律和定理产生任何改变。
　　Tips:＂方向＂是完全由人类为了方便而发明的，没有真正的科学意义。
　　根据迄今为止的研究和测试，宇宙没有向任何特定方向旋转或拉伸。眺望夜空，我们看不到宇宙的尽头，行星围绕太阳系中的恒星运行，恒星组成不同的星系，而大量的星系又形成了巨大的星系团。但宇宙学家认为这并不是尽头：如果我们看足够大的尺度就会发现， 宇宙实际上是一体的 。
　　Tips:星系团是由星系组成的自引力束缚体系，通常尺度在数百万秒差距，包含了数百到数千个星系。
　　绝大多数关于宇宙的计算都是从这个假设开始的：无论你的位置和方向如何， 宇宙都是大致相同的 。但如果宇宙优先向一个方向伸展，或者以与地球自转类似的方式绕着一个轴旋转， 那么这个基本假设以及所有依赖它的计算都是错误的 。
　　Tips:伦敦大学学院（UCL）和帝国理工学院（IC）的科学家已经通过相当严格的测试，发现宇宙在四面八方不一样的可能性只有121，000分之一。爱因斯坦的广义相对论
　　1916年，爱因斯坦发表了他的第一个引力理论的结果，这一理论被称为广义相对论。从本质上讲，广义相对论是一个重力理论，其基本思想是，重力 不是 吸引物体彼此靠近的 无形力量 ，而是一种 宇宙自身结构发生了扭曲 而造成的影响。
　　在广义相对论中，爱因斯坦将时间和空间统一成一个整体，并且时间维度也可以发生弯曲。从广义相对论来看， 苹果落向地球的原因到底是什么呢？ 地球由于巨大的质量，使时空变形并赋予它一个 曲率 ，假设我们用网格来标记时空，时空曲率看上去就像是 网格在不断地收缩 。这个收缩速率一直 保持恒定 ，因为时间曲率取决于地球的质量。当我们无初始速度地释放一个苹果，虽然苹果没有受力，但 随着网格的收缩，苹果看起来就会向地球下坠 。
　　Tips:曲率是描述几何体弯曲程度的量，例如曲面偏离平面的程度，或者曲线偏离直线的程度。
　　我们去掉空间维度更简单地来看，用二维的的网格来标记苹果的位置。当苹果 不受力 时，它从始至终都处于我们释放时的那个网格位置，但由于地球的质量使 时间维度产生了曲率 ，苹果所在的网格向地球 发生了弯曲 ，从而 观测到苹果向地球下坠 。
　　假设我们以初始速度从一个天体抛出一个物体，在不受力的情况下，它会一直 沿着网格的一条直线运动 。由于天体的质量产生的时空曲率 使网格不断收缩 ，这个物体不断 向着这个天体的方向拖拽 ，最终 围绕天体运动 。
　　结语
　　回到标题，＂向下＂坠落中的这个＂下＂，其实是由人类站在地球上的角度来思考的主观结果。我们现在终于知道了，地球本身就是在不断向下坠落的，正是由于地球的坠落，才让它能够在太阳周围以固定的轨道运动，而不飞离太阳系。
　　Tips:对于月球而言，地球就是它坠落的方向；对地球而言，太阳就是它坠落的方向。