有位朋友问道:地球为什么不会撞向太阳?这个问题很奇葩,但也蕴藏了很多硬核的天文知识。太阳每天都稳稳的挂在天上,但天文学家说地球一直在坠向太阳。这听起来很反直觉,都46亿年了,地球为什么还没撞到太阳上?也许你会觉得,这是因为地球离太阳太远了,要坠落到太阳上得需要很久吧?这个问题的答案更加颠覆你的认知。如果地球真的会撞向太阳,时间短得远超你的想象。
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我们先来聊第一个问题:地球为什么不会撞向太阳?天文学家说:“地球其实一直向着太阳坠落。”可都过了46亿年了,地球怎么没有掉到太阳上面去?先来跟牛顿做个思想实验:假如在高山上架起一门大炮,水平发射炮弹。如果炮弹速度慢,就会划出一道弧线,落到地面上;如果炮弹的速度再快些,炮弹会落得更远;再给大炮上强度,如果打出去的炮弹足够快,炮弹下落的弧线不就和地球表面弯曲程度一致了吗?这时候你会发现,这发炮弹会一直“往下掉”,但永远也落不到地面上,而是绕着地球转了一圈又一圈。如果炮弹的速度继续提升,最终它会挣脱地球引力,飞向太空。
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牛顿的“大炮实验”告诉了我们一个事实:物体的横向速度决定了它是掉下来、绕圈,还是飞走。地球绕太阳运动就是这个道理。地球就好比从太阳上发射出去的一颗速度足够快的炮弹。它一直在往下掉,却永远掉不下去。而这个速度就是地球公转速度——大约29.8公里/秒。
要知道地球的公转速度也不难。我们既可以通过地球的轨道周长除以公转周期得出,也可以通过万有引力和向心力公式计算得出:
v=根号GM/r,G=6.674×10^-11N⋅m²/kg²,M太阳=1.989×10^30千克,r=1.496×10^11米,代入结果为v≈29.8公里/秒
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地球跑得这么快就不会掉到太阳上面了吗?还是很难理解?那我们就把地球用绳子绑起来,拴到太阳上面。太阳通过这根绳子紧紧拉住地球。这时候你会发现,原本沿直线运动的地球围绕着太阳做起了圆周运动,既不会掉下去,也不会脱离太阳。
在现实世界中,太阳的引力就是这根看不见的“绳子”,紧紧地拉着地球,提供向心力;而地球自身的运动产生了一种“向外甩”的趋势,也就是惯性离心力。在地球接近圆形的轨道上,它以29.8公里/秒的速度运动就刚好达到了平衡。所以地球既不会被太阳的引力拉过去,也不会被甩出去。
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这就是为什么地球不会撞向太阳的原因:它跑得够快而且速度刚刚好。
太阳系中的其他行星也是同样原理。水星离太阳很近,为了不掉到太阳上面去,就得更加卖力地跑,平均公转速度47.36公里/秒,比地球快约60%。地球要是在自己的轨道上跑得跟水星一样快,就会被甩出太阳系。海王星离太阳很远,只需慢悠悠的跑到约5.43公里/秒,只有地球公转速度的五分之一,就可以在轨道上“躺平”了。
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这么看来,离太阳越远的行星,它维持稳定轨道所需要的公转速度就越慢。
我们再回到“牛顿大炮”的思想实验中:如果地球这枚大炮弹发射出的速度不够快会怎样?显然,地球最终就会掉到太阳上去。这就引出了我们聊的第二个问题:如果地球真的要撞向太阳,要多久才会掉到太阳上呢?我们来讨论一个最极端的情况:地球的公转速度被清零了会怎样?
当地球停止公转后,它用来对抗太阳引力的惯性离心力也就没有了。此时的地球会在太阳的引力作用下,从1.5亿公里外自由落体坠向太阳。地球坠向“火海”的末日倒计时会持续多久呢?俄罗斯科普作家别莱利曼在他的著作《趣味天文学》中给出了一个极其简洁的公式:
t=T/根号32
公式中的T就是行星的公转周期,根号32≈5.66。也就是说,行星坠向太阳的时间,约等于它的公转周期除以根号32(或大约5.66)。我们把地球的公转周期365天代入公式,你会发现一个令所有人后背发凉的结果:大约64.5天。
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一旦地球停止公转,它会在两个月后撞向太阳。末日倒计时竟然只有两个月稍多点,这个结果是不是跟你想象的不一样。
你会不会觉得这是危言耸听?其实这里面包含了极其硬核的天文学知识——开普勒第三定律。它说的是:行星公转周期的平方与它轨道半长轴的立方成正比:T²∝a³,或者说周期与半长轴的1.5次方成正比。这里的T是行星的公转周期,a是轨道半长轴,也就是行星到太阳的平均距离。行星的公转周期T=根号a³
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地球坠向太阳的轨道,可以看作是一个极扁的椭圆:远日点在1.5亿公里处,近日点就在太阳上。它的半长轴就只有正常轨道的1/2,即0.5天文单位,根据开普勒第三定律,周期与半长轴的1.5次方成正比:
T坠日=T地球×(0.5/1)^1.5=T地球/√8
因为坠落中的地球沿着这条轨道从远日点走到近日点,刚好是半个周期,所以地球坠落时间刚好是轨道周期的一半,即t=T地球/2=1/2×T地球/√8=T/√32。
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这个公式妙就妙在,它把一个复杂的计算压缩成了一个极其简洁的关系:坠落时间只和公转周期有关系,而且恰好是公转周期除以根号32。你不需要知道距离,不需要知道太阳的质量,只需要知道公转周期,就能算出坠落时间。
我们甚至可以通过这个公式举一反三提出一系列脑洞问题:假如木星停止公转,它多久就会撞上太阳?11.86年除以√32,大约2年35天。假如月球也不想绕地球转了,它多久就会撞上地球?27.32天除以√32,大约4天20小时。
总结一下,地球为什么不会撞向太阳?不是因为离太阳太远,也不是因为地球“悬浮在”太空,而是因为它跑得够快。每秒约30公里的横向速度,让地球永远在坠落,却永远不会掉到太阳上面。
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然而,如果这个速度突然消失了,地球只需大约64.5天就会掉到太阳上面。这种情况也适用于太阳系其他行星及其绕转卫星,只要它失去横向速度便开始自由落体,坠向它所绕转的天体。
当然了,这些都是我们突发奇想的头脑风暴罢了。事实上,地球都围绕太阳转了46亿年了也没撞上太阳,未来只要太阳还没有变成红巨星,地球就撞不上太阳,完全不用担心。可这里面蕴含的硬核天文知识却很值得我们探究啊!你说是不是呢?评论区一起聊一聊吧!
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