如果問(wèn)，地球的上方和下方有什么？相信大家都是一臉懵，好像在我們的印象里，地球是圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，月球是圍繞地球運(yùn)動(dòng)，它們似乎都在一個(gè)平面上。至于地球的“上方”和“下方”是什么地方，大家也并不知道。參與過(guò)太空行走的宇航員都會(huì)下意識(shí)地看一眼地球的上方和下方，黑漆漆的一片，似乎什么都沒(méi)有發(fā)生。
而且在宇航員的眼里，地球是飄浮在太空中的，感覺(jué)隨時(shí)都可能掉下去一樣。那么地球?yàn)楹螘?huì)飄在宇宙中？它會(huì)不會(huì)真有一天掉下去呢？
太空行走
太空行走是航天技術(shù)發(fā)展的重要一步，如果想要建立空間站，那么太空行走就是關(guān)鍵，因?yàn)樯婕暗搅嗽O(shè)備維修、檢查，這些任務(wù)不可能百分之百在艙內(nèi)完成，宇航員必須要出艙。人類歷史上的第一次太空行走，由蘇聯(lián)宇航員完成，他身著當(dāng)時(shí)的臍帶宇航服，在太空行走了12分鐘。從他之后，宇航員人類不停地刷新太空行走的各種記錄。
2021年11月7日，翟志剛和王亞平來(lái)到神舟十三號(hào)的太空艙外，進(jìn)行太空行走。這是王亞平的第一次太空行走，翟志剛則淡定得多，因?yàn)檫@已經(jīng)不是他第一次出艙活動(dòng)。早在2008年，翟志剛就第一次代表中國(guó)實(shí)現(xiàn)太空行走。當(dāng)年神舟七號(hào)執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候，翟志剛遇到了很多困難，首先是艙門打不開(kāi)，隨后又發(fā)出了各種警報(bào)，經(jīng)過(guò)不懈的努力，最終成功打開(kāi)艙門。
作為第一個(gè)近距離接觸宇宙的人，翟志剛則表示，在地面上的時(shí)候地球是最堅(jiān)實(shí)的依靠，但是在太空中看起來(lái)，地球特別不安全，整個(gè)飄飛在太空中，生怕它飄跑了。其實(shí)不僅翟志剛這樣說(shuō)，參與過(guò)太空行走的宇航員都會(huì)被這個(gè)場(chǎng)面震撼到，一顆蔚藍(lán)色的星球，懸浮在黑色的宇宙中，看起來(lái)非常不真實(shí)，但那確確實(shí)實(shí)是我們的地球。沒(méi)有任何支撐，地球是如何飄的？它不會(huì)落下嗎？
重力
我們知道，地球上的所有物體都會(huì)落下，這是因?yàn)榈厍蛴?span style="color: #FF0000; --tt-darkmode-color: #FF0C00;">重力。其實(shí)不單單是地球，任何星球都有重力，只不過(guò)重力加速度不一樣。在地球上，無(wú)論站在什么位置，物體所受到的重力都是指向地球中心的，即使人站在南極，她有一頭飄逸的長(zhǎng)發(fā)，也不會(huì)有長(zhǎng)發(fā)飄到頭頂上方的事情發(fā)生。
地球的重力是它的引力在地球表面的表現(xiàn)形式。地球的質(zhì)量大約5.965×102?kg，根據(jù)萬(wàn)有引力公式，我們可以計(jì)算出人與地球之間的引力。進(jìn)而有算出重力加速度。人的質(zhì)量很小可以忽略不計(jì)，但是地球的質(zhì)量太大了，根本就忽視不掉，因此人不依靠外力是無(wú)論如何都跑不出地球的，就像孫悟空逃不出如來(lái)的手掌。
其實(shí)何止是人類，月亮的質(zhì)量有7.342?1022 ^22kg，這么重的質(zhì)量，依然得乖乖繞著地球旋轉(zhuǎn)，可見(jiàn)地球的引力有多么巨大。在地球上完全只依靠重力實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)叫做自由落體，在完成自由落體的時(shí)候，物體的重力加速度為g，大約為9.8m/s2。那么地球在宇宙中有重力嗎？答案是沒(méi)有。
自由落體運(yùn)動(dòng)
地球身處宇宙之中，宇宙沒(méi)有所謂的重力，它時(shí)刻都是失重狀態(tài)，你看翟志剛和王亞平和地球一樣，都是飄在太空中的，唯一不同的是，如果他們兩個(gè)掙脫了神舟十三號(hào)的保險(xiǎn)繩飄向太空，他們很有可能會(huì)被地球吸回來(lái)。地球在太空中只會(huì)受到萬(wàn)有引力的吸引。
萬(wàn)有引力
萬(wàn)有引力是力學(xué)之父牛頓的經(jīng)典理論，因?yàn)楸灰粋€(gè)蘋果砸中腦袋而得到，一時(shí)間傳為佳話。它不僅存在于天體之間，還存在于任何兩個(gè)物體之間，公式為F=Gm1m2/r2。其中G是萬(wàn)有引力常量，也就是說(shuō)，萬(wàn)有引力的常量是不會(huì)變的，影響萬(wàn)有引力的因素完全在于兩個(gè)物體的質(zhì)量和兩者的距離。
萬(wàn)有引力的誕生，是人類科學(xué)上的一次重要進(jìn)步，人類的宏觀第一次可以超越地球。根據(jù)萬(wàn)有引力可以計(jì)算出一些天體的質(zhì)量。我們現(xiàn)在使用的太陽(yáng)系各大星體的數(shù)據(jù)，在人類沒(méi)有發(fā)射衛(wèi)星之前就已經(jīng)算出來(lái)了，隨后在航天探測(cè)器的幫助下，將數(shù)據(jù)進(jìn)行更精確的修正。早期的天文學(xué)家利用萬(wàn)有引力發(fā)現(xiàn)了哈雷彗星，以及還有被當(dāng)成第九顆行星的冥王星。
前面說(shuō)過(guò)，地球處在失重的宇宙中，沒(méi)有重力，但地球受到太陽(yáng)的引力，圍繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。此外，地球與其他星體之間也存在作用力，只不過(guò)，這個(gè)力比起太陽(yáng)與地球產(chǎn)生的萬(wàn)有引力來(lái)說(shuō)不值得一提。因此，這些力量并不會(huì)讓地球離開(kāi)太陽(yáng)的懷抱，只是會(huì)讓地球的軌跡發(fā)生一定的偏移。地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌跡并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓，而是一個(gè)橢圓。
太陽(yáng)的質(zhì)量實(shí)在太大，占據(jù)整個(gè)體系的99%，所以太陽(yáng)系的幾乎所有的星體都不可能在沒(méi)有外力的情況下逃出太陽(yáng)系，就如地球上的物體沒(méi)有外力是不可能逃離地球一樣。我們可以根據(jù)萬(wàn)有引力，推導(dǎo)出三大宇宙速度。
三大宇宙速度
發(fā)射人造衛(wèi)星的時(shí)候，發(fā)射速度必須要大于第一宇宙速度7.9千米/秒，才能將衛(wèi)星成功送入地球的軌道。而在圍繞地球進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，速度又不能大于這個(gè)值，否則進(jìn)行的就不是軌道為圓形的勻速運(yùn)動(dòng)，而是橢圓形軌道的圍繞運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)航天器想要逃脫地球的引力，飛向別的太陽(yáng)系星體時(shí)，需要滿足第二宇宙速度，最小速度不低于11.2千米/秒，才能從地球的引力中逃走，因此又稱逃逸速度。不過(guò)也有例外，那就是飛向月球的時(shí)候，不用達(dá)到這個(gè)速度。
因?yàn)樵虑蚴堑厍虻奶烊恍l(wèi)星，它還處于地球的引力范圍內(nèi)，根據(jù)阿波羅計(jì)劃的計(jì)算，去往月球只需要達(dá)到10.8千米/秒的速度即可。
我們將離太陽(yáng)無(wú)窮遠(yuǎn)的地方的勢(shì)能假設(shè)為零，經(jīng)過(guò)計(jì)算，這個(gè)速度就是飛離太陽(yáng)所需的臨界速度，也是需要達(dá)到的最小速度，叫做宇宙第三速度，大小為16.7米/秒。這其中并沒(méi)有考慮其他行星的影響，如果真的要飛離太陽(yáng)系，實(shí)際的速度要比第三宇宙速度大。
目前人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了人造衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)、登陸月球、在另外三個(gè)巖石星球上放置探測(cè)車、發(fā)射圍繞木星、土星、天王星和海王星的探測(cè)器，還發(fā)射了探索太陽(yáng)系邊界的旅行者1號(hào)和2號(hào)等等。
宇宙中已經(jīng)有數(shù)不清的探測(cè)器漂浮著，它們同地球一樣，沒(méi)有落下去，而是漫無(wú)目的地在太空中流浪，它們中的大多數(shù)圍繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)。三大宇宙速度人類的飛行器都達(dá)到過(guò)速度值，只是人類并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)飛躍太陽(yáng)系。
運(yùn)動(dòng)的宇宙
地球雖然不會(huì)在宇宙中進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)，可并不代表，地球不會(huì)向下運(yùn)動(dòng)。在宇宙中，地球的位置時(shí)刻都在發(fā)生變化，很有可能下一秒它就運(yùn)動(dòng)到了之前位置的下方。許多人都認(rèn)為，地球只是單純地圍繞太陽(yáng)做平面運(yùn)動(dòng)，其實(shí)不然，地球甚至整個(gè)太陽(yáng)系，甚至太陽(yáng)系所在的銀河系，每時(shí)每刻都在運(yùn)動(dòng)。可以這樣說(shuō)，宇宙中就沒(méi)有靜止的物體。
宇宙的直徑是960億光年，地球乃至整個(gè)太陽(yáng)系對(duì)它來(lái)說(shuō)，是小得不能再小的存在。在宇宙中，引力比太陽(yáng)大的星體比比皆是，太陽(yáng)雖然在太陽(yáng)系是絕對(duì)的主宰，但是放在宇宙，它就是弟弟般的存在，大哥到處都是。
太陽(yáng)本身也有公轉(zhuǎn)，天文學(xué)家預(yù)計(jì)，在太陽(yáng)所處的銀河系中心，有一個(gè)巨大的黑洞，它帶領(lǐng)著太陽(yáng)以及其他恒星系運(yùn)動(dòng)，地球作為太陽(yáng)系的一部分，也自然而然地跟隨太陽(yáng)改變位置。
但銀河系并不是宇宙中最大的天體單位，銀河自身也會(huì)運(yùn)動(dòng)，因此地球又會(huì)因?yàn)?span style="color: #FF0000; --tt-darkmode-color: #FF0C00;">銀河系的位置改變而改變。所以，如果時(shí)間足夠，地球也許在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中到達(dá)過(guò)宇宙的很多角落。地球不會(huì)落下去，但地球會(huì)向下運(yùn)動(dòng)。那為何我們的宇航員在太空中看不到地球位置的改變呢？
觀察運(yùn)動(dòng)需要找參照物，可我們身處在太陽(yáng)系中，整個(gè)太陽(yáng)系的星體成為了一個(gè)整體，每個(gè)成員之間的位置相對(duì)來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何變化，想要知道位置改變，需要尋找太陽(yáng)系以外的星體作為參照。但是宇宙太大了，人類無(wú)法給宇宙的區(qū)域具體劃分區(qū)間，加上宇宙一片漆黑，我們無(wú)法觀測(cè)到自己的位置，更不知道別的星球到底運(yùn)動(dòng)到哪里了。宇宙是由原子構(gòu)成的，因此它是原子宏觀的表現(xiàn)，我們可以觀察原子內(nèi)部就可以推斷宇宙。
在原子中，電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，每時(shí)每刻位置都在改變，我們只能根據(jù)電子出現(xiàn)在各個(gè)位置的概率，假設(shè)出它的軌道。因此我們將宇宙看成一個(gè)巨大的原子，里面的天體是電子，它們圍繞宇宙的一個(gè)中心運(yùn)動(dòng)，位置時(shí)刻在變化，也就是說(shuō)，這些天體的軌跡只是它們出現(xiàn)概率的集合，并不是一個(gè)實(shí)際的軌道。
我們是否可以認(rèn)為，地球圍繞太陽(yáng)的軌道，也只是地球出現(xiàn)在太陽(yáng)系內(nèi)的概率集合，我們認(rèn)為的軌道可能實(shí)際上并不是地球的運(yùn)動(dòng)軌跡。
渺小的人類
地球?qū)τ谌祟悂?lái)說(shuō)，非常重要，人類無(wú)法完全做到離開(kāi)地球生活。即使是在空間站上的宇航員，他們執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間也不能太長(zhǎng)，況且，空間站利用的就是地球的引力來(lái)圍繞地球運(yùn)動(dòng)，如果不依靠地球，它必須時(shí)刻輸出能量。可以說(shuō)地球在人類面前無(wú)所不能，人類在地球面前非常渺小。
而對(duì)于宇宙來(lái)說(shuō)，地球只不過(guò)是一個(gè)平常的天體，即使哪一天地球爆炸了，對(duì)于宇宙來(lái)說(shuō)也不過(guò)是多了一朵星云，這種平平無(wú)奇的事情。宇宙的年齡超過(guò)了140億年，地球不過(guò)才46億年而已，而人類的歷史更短，才200多萬(wàn)年。這個(gè)時(shí)間放在宇宙里，可能就是某個(gè)恒星閃一下。然而，這么渺小的人類進(jìn)入了宇宙，難道不是一件很偉大的事情嗎？
