为什么月亮在天空中不会掉下来「夜晚抬头可见的月亮为什么能停留在天空中而不掉下来呢」
图解:在阿波罗8号任务,于1968年的圣诞夜从月球看见的地球。非洲在日没的边界线上,美洲在云层之下,在边界线末端左边的是南极大陆。
可以用两个答案来回答你的问题:一个是基本答案,另一个就相当精准了。基本答案来自牛顿提出的重力。然而,更完整的回答直到上世纪初才由爱因斯坦算出来。
图解:一个最初静止的物体在重力作用下自由
网友提问: “为什么月亮可以悬浮在宇宙中?如果它没有依附于任何东西上,为什么它不会掉下来?”现在我知道这是因为重力,但是我并不知道具体的细节。有人可以帮帮我吗?
图解:在阿波罗8号任务,于1968年的圣诞夜从月球看见的地球。非洲在日没的边界线上,美洲在云层之下,在边界线末端左边的是南极大陆。
可以用两个答案来回答你的问题:一个是基本答案,另一个就相当精准了。基本答案来自牛顿提出的重力。然而,更完整的回答直到上世纪初才由爱因斯坦算出来。
图解:一个最初静止的物体在重力作用下自由下落的距离,与经过时间的平方成正比。这张照片持续半秒,每秒20次闪光。
可以简单地回答这个问题。月球和地球之间有一种引力,它试图把月球拉向地球。月球绕地球运行时受“向心力”作用。这个力由“离心力”来平衡,离心力作用于地球,使月球不断地环绕地球。有关向心力和离心力之间(细微的)差别的技术描述,请参阅此页。正是向心力和离心力之间的平衡使月球可以绕地球运行。
图解:月球公转与地球自转方向相同,但地球自转速度快于月球公转,使涨潮被地球自转带着跑,在月球至中天前到来,相差约3度。 月球与潮汐隆起(tidal bulge,或称隆堆)相互吸引,使得地球自转渐渐变慢,而月球公转渐快。这使得当前每一年月球轨道约推离地球38毫米,而地球的一日延长约23微秒。 因为月球对地球万有引力的作用,地球视作一固态整体,较背对月球一侧的海水更被拉近月球,因此背对月球一侧的海水形同“升高”了。这造成两端的潮汐隆起与每天两次的涨潮。
另一个答案,会更准确。为什么离心力和向心力可以实现平衡?因为如果不是这样,月球就会撞向地球。但是,月球为什么没有撞过来呢?因为离心力正好平衡向心力。这里的推理是循环的:上面的简单解释提供了一种理解月球如何绕地球轨道运行的方法,但不是确切的原因。爱因斯坦在20世纪初给出了答案。
接下来更详细地回答这个问题。爱因斯坦的广义相对论解释了宇宙中时空的性质。在这个广义相对论中,质量曲线时空附近的物体,其曲率会影响其他物体的运动。物体的质量和密度越大,产生的时空曲率就越大。所以,月球绕地球运行是因为地球在月球附近弯曲时空。虽然月球本身也会使空间弯曲(因为它有质量),但月球附近的曲率是由地球控制的,考虑到月球目前的位置和在天空中的运动,地球“告诉”月球绕地球运行。质量和曲率之间的相互作用首先导致了向心力和离心力,这就是会有这个问题的基本答案。
这两个答案之间的区别非常微妙,但归结起来就是:
第一种情况可以通过分析两种力的作用来理解,即推入和推出的力是相等的。
第二种情况可以理解为地球扭曲了月球附近的时空,使月球以地球的方式绕地球运行。
相关天文知识延伸阅读
重力,是指具有质量的物体之间相互吸引的作用,也是物体重量的来源。
图解: 万有引力使行星按照自身的轨道围绕太阳运转
引力与电磁力、弱相互作用力及强相互作用力一起构成自然界的四大基本相互作用。在这四种基本相互作用中,引力是最弱的一种,但同时也是一种长程有效作用力。在现代物理学中,引力一般由广义相对论来精确描述,认为引力反映了物体的惯性在弯曲时空中的表现。而经典力学中的牛顿万有引力定律则是对引力在通常物理条件下的极好的近似描述。
图解:物体质量产生的时空畸变的二维类比。物质改变了时空的几何学,这个(弯曲的)几何学被解释为引力。白线并不代表空间的曲率,而是代表施加在弯曲时空上的坐标系,在平坦时空中,弯曲时空是直线的。
在地球上,地球对地面附近物体的万有引力赋予了物体的重量,并使物体落向地面。在宇宙中,引力让物质聚集而形成天体,同时也让天体之间相互吸引,形成按照轨道运转的天体系统。此外,月球以及太阳对地球上海水的引力,形成了地球上的潮汐。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3. astro- Hope
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为什么月亮不掉下来
1首先人肉眼所看到的月亮只是月亮的“影子”,其实月亮并不会发光,只是反射了太阳的光照在地球上。是地球唯一的天然卫星,并且是太阳系中第五大的卫星。月球的直径是地球的四分之一,质量是地球的1/81,相对于所环绕的行星,它是质量最大的卫星,也是太阳系内密度第二高的卫星,仅次于木卫一。一般认为月亮形成于约50-75亿年前,地球出现后的不长时间,有关它的起源有几种假说,最被普遍认可的解释是:它形成于地球与火星般大小的天体-“忒伊亚”之间一次巨大撞击所产生的碎片。它的自转与公转同步(潮汐锁定),因此始终以同一面朝向着地球。正面标记着黑暗的火山熔岩海,中间夹杂着明亮和古老地壳的高地和显目的陨石坑。它是天空中除了太阳之外最亮的天体,尽管它呈现非常明亮的白色,但其表面实际很暗,反射率仅略高于旧沥青。由于月球在天空中非常显眼,再加上规律性的月相变化,自古以来就对人类文化如语言、历法、艺术和神话等产生重大影响。月球的引力影响造成地球海洋的潮汐和每一天的时间延长。月球现在与地球的的距离,大约是地球直径的30倍。而月球与太阳的大小比率与距离的比率相近,使得它的视大小与太阳几乎相同,在日食时月球可以完全遮蔽太阳而形成日全食。2月球运行,有固定的轨道,沿着轨道公转自转,我们看见月亮变大变小,变远变近都是有月球运达造成的,但是月球不会掉落到地球上。月球以椭圆轨道绕地球运转。这个轨道平面在天球上截得的大圆称“白道”。白道平面不重合于天赤道,也不平行于黄道面,而且空间位置不断变化。周期173日。月球轨道(白道)对地球轨道(黄道)的平均倾角为5°09′。但是现在知道月球平均每年以4cm的速度逐渐与地球离去。月球在绕地球公转的同时进行自转,周期27.32166日,正好是一个恒星月,所以我们看不见月球背面。这种现象我们称“同步自转”,几乎是卫星世界的普遍规律。一般认为是行星对卫星长期潮汐作用的结果。天平动是一个很奇妙的现象,它使得我们得以看到59%的月面。主要有以下原因:⒈在椭圆轨道的不同部分,自转速度与公转角速度不匹配。⒉白道与赤道的交角。月球每小时相对背景星空移动半度,即与月面的视直径相若。与其他卫星不同,月球的轨道平面较接近黄道面,而不是在地球的赤道面附近。相对于背景星空,月球围绕地球运行(月球公转)一周所需时间称为一个恒星月;而新月与下一个新月(或两个相同月相之间)所需的时间称为一个朔望月。朔望月较恒星月长是因为地球在月球运行期间,本身也在绕日的轨道上前进了一段距离。月球的轨道平面(白道面)与黄道面(地球的公转轨道平面)保持着5.145 396°的夹角,而月球自转轴则与黄道面的法线成1.5424°的夹角。因为地球并非完美球形,而是在赤道较为隆起,因此白道面在不断进动(即与黄道的交点在顺时针转动),每6793.5天(18.5966年)完成一周。期间,白道面相对于地球赤道面(地球赤道面以23.45°倾斜于黄道面)的夹角会由28.60°(即23.45°+5.15°) 至18.30°(即23.45°-5.15°)之间变化。同样地,月球自转轴与白道面的夹角亦会介乎6.69°(即5.15°+1.54°)及3.60°(即5.15°-1.54°)。月球轨道这些变化又会反过来影响地球自转轴的倾角,使它出现±0.002 56°的摆动,称为章动。因为月球的自转周期和它的公转周期是完全一样的,所以地球上只能看见月球永远用同一面向着地球。自月球形成早期,地球便一直受到一个力矩的影响导致自转速度减慢,这个过程称为潮汐锁定。亦因此,部分地球自转的角动量转变为月球绕地公转的角动量,其结果是月球以每年约38毫米的速度远离地球。同时地球的自转越来越慢,一天的长度每年变长15微秒。
从地球上看月亮,看到的月球表面并不是正好它的一半,这是因为月球像天平那样摆动。地球上的观测者会觉得:在月球绕地球运行一周的时间里,月球在南北方向来回摆动,即在维度的方向像天平般的摆动,这被称为“纬天平动”,摆动的角度范围约6°57′;月球在东西方向上,即经度方向上来回摆动的现象,被称为“经天平动”,摆动角度达到7°54′。除去这两种主要的天平动,月球还有周日天平动和物理天平动,前三种天平动都并非月球在摆动,是因为观测者本身与月球之间得相对位置发生变化而产生的现象。只有物理天平动是月球自身在摆动,而且摆动得很小。严格来说,地球与月球围绕共同质心运转,共同质心距地心4700千米(即地球半径的3/4处)。由于共同质心在地球表面以下,地球围绕共同质心的运动好像是在“晃动”一般。从地球南极上空观看,地球和月球均以顺时针方向自转;而且月球也是以顺时针绕地运行;甚至地球也是以顺时针绕日公转的,形成这种现象的原因是地球、月球相对于太阳来说拥有相同的角动量,即“从一开始就是以这个方向转动”。
所以我们地球很安全,不必担心月亮会掉下来。
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