地球那么重，为什么能悬浮在太空中？

春意盎然2016

对于我们来说，地球很重，它的质量为5.97亿亿亿千克。那么，如此重的地球是怎么悬浮在太空中的呢？什么力量在托着地球不往下掉呢？
宇宙中的方向
首先，宇宙中没有绝对的方向，并不存在所谓的上方和下方。天体分布在宇宙空间中，不存在绝对参照系，所以天体的方位都是相对而言的。我们可以认为地球处在太阳的“下方”，或者也可以反过来认为太阳处在地球的“下方”。
地球上的方向




在地球上，我们会感受到方向，是因为地心引力的作用。地球上的物体都会受到朝向地心的引力，这个方向正是我们所熟悉的“下方”。由于地球是个球体，所以地球上不同地方的“下方”并不一致，但都会指向地心。
对于太空中环绕地球运动的宇航员，他们没有上下方向的感觉，因为他们处于失重的状态。如果宇航员处在密闭的太空舱中，他们无法分辨出哪个方向是“下方”，或者地球在哪个方向。
地球的“下方”
虽然宇宙中没有绝对方向，但在某种意义上能够定义出地球的“下方”。太阳的质量远超地球，前者是后者的33.3万倍，太阳强大的引力无时无刻不在试图把地球吸引过去，我们可以认为太阳引力的方向是地球的“下方”。




那么，这个问题就变成了“为什么地球不会掉进太阳中？”
虽然太阳的引力持续施加在地球上，但地球并不会被吸引过去，因为地球不断环绕太阳旋转，可以抵消引力作用。关于这个原理，可以用“牛顿大炮”来作说明。
牛顿大炮
试想一下，在地球上沿着水平方向发射出一枚炮弹，其飞行距离会随着初速度的增加而变远。由于地心引力的存在，炮弹最终会掉到地上。但如果炮弹的初速度足够高，由于地球是个球体，表面是弯曲的，炮弹能够飞得足够远，避开地表，不会落到地上，从而会绕着地球旋转。在没有空气阻力的情况下，炮弹会成为地球的卫星，一直环绕地球运动。这个足够高的初速度就是第一宇宙速度，大约为7.9公里/秒。




只要有足够的速度，物体就能环绕地球运动而不会被引力吸引到地表。距离地表越远的地方，所受的地心引力越弱，所需的环绕速度越慢，例如，400公里高度（大部分载人飞船轨道）的轨道速度为7.7公里/秒，3.58万公里高度（地球同步轨道）的轨道速度为3.07公里/秒。
同样地，地球以大约30公里/秒的速度绕着太阳旋转，这个足够快的轨道速度能够使地球免于掉进太阳中。地球的轨道速度来自于46亿年前原行星盘中的微行星，由于角动量守恒，并且太空几乎真空，地球才能不断环绕太阳旋转。
银心参照系




如果以银河系中心为参照系，不仅上下方向看起来会发生变化，而且地球的运动方式看起来也会变得不同。地球环绕太阳的轨道平面与银道面的夹角为60.2°，银心的方向成了“下方”，那是银河系中所有天体的共同质心所在之处。太阳不会掉进银心中，也是因为太阳以220公里/秒的轨道速度在星际空间中快速穿行。




另一方面，地球在银河系空间中的运动看起来并非是椭圆形。由于跟随太阳环绕银心运动，地球的运动轨迹是螺旋形的。