我們很容易發現,在宇宙中的天體大多數都是在自轉的,小到普通的衛星,比如:月球,達到銀河系都是如此。而且這種“轉”不僅有自轉,同時還有公轉。那麼問題來了,地球自轉的線速度可以達到466米/秒,為什麼在地球上的人感覺不到地球在轉?
天體為什麼都在轉?
我們先從天體的“轉”說起。按照目前主流的科學理論,我們知道,在46億年前,在太陽系附近的位置,有一片長達2光年的分子云,它們後來由於某種原因發生了引力坍縮,在引力的作用下,分子云逐漸向中間聚攏,最終形成了太陽,其餘的邊角碎料也同樣是在引力的作用下逐漸形成。
而天體在形成的過程中,分子云向中心匯聚時,會損失勢能,這部分勢能轉化成了熱能和自轉動能。這就會使得天體一般都會帶有角動量,而很少會出現角度量為0的情況,所謂角度量就是用來描述物體自轉的一個物理量,由於太空中沒有較大的摩擦力,因此,天體在匯聚過程中,為了保證角動量守恆,就會保持自轉的狀態,這其實和花樣滑冰是很類似的。
除了自轉,我們還知道天體會公轉,比如,地球就是繞著太陽在公轉的,公轉週期大概是365天左右,也就是1年。同樣地,其實太陽也在繞著銀河系的質心公轉。太陽的公轉速度大概是240千米/秒,公轉的週期大概是2.5億年。
同樣得,銀河系也並非是不動的,銀河系也在繞著本星系群的質心運動,速度大概是千米/秒。本星系群是一個比銀河系更大的宇宙結構,其中有幾十個類似於銀河系的星系。同樣地,本星系群也在繞轉。所以,你會發現,實際上,不單單是天體,宇宙中的許多星系甚至是星系團都是在運動的,而且速度要遠遠快於地球的自轉速度。
如果我們以地球的質心為參考系,那地球上的人其實繞著質心在運動的,速度是466米/秒;如果以太陽為參考系,地球上的人是繞著太陽做圓周運動的,速度是29.783千米/秒。如果我們以銀河系的質心為參考系,則地球上的人是以240千米/秒繞著銀河系質心在運動的。那麼問題來了,為什麼人類感受不到地球,或者太陽系,或者銀河系在運動呢?
慣性
其實這個問題也曾經困擾過很多學者。最早學者們之所以支援地心說,而不是日心說,有一個很關鍵的原因就是地球一旦動起來,那麼人類只要跳起來,就應該落到後面。但是實際上生活中,我們並沒有發現這個現象,因此,當初學者們認為地球應該是不動的,那就是宇宙中的天體都繞著地球在轉。
後來,哥白尼提出日心說時,許多人就用這個觀點來反駁哥白尼。而哥白尼也確實沒辦法解決這個問題,而解決這個問題的是伽利略。他先是提出了一個著名的思想實驗:薩爾維阿蒂的大船。他假設有一個人在一艘大船的船艙中,船艙是封閉的,並且船很平穩地行駛著。這個時候,船艙裡的人跳起來,我們很容易知道,這個人還會落回到原地。也就是說,即便是船在運動,人跳起來後,也不會落到後面,而是落回原地,我們所在的地球其實就類似於這艘船,而人類就類似於船艙裡的人,因此,人類跳起來後,不會落到後面。
伽利略不僅僅利用了思想實驗,同時他還做了一個斜面實驗。在這個實驗中,他先拎出了一個干擾因素:摩擦力。他提出如果從同一個高度釋放先去,這個時候如果是理想狀態,小球還是會保持回到原來的高度,如果不能回到原來的高度,那小球就會一直保持原來的運動狀態。
後來,伽利略的觀點被牛頓整合到了牛頓力學的第一定律,也就是大名鼎鼎的慣性定律。從慣性定律中,我們知道凡是不受力或者合力為0的物體,都會保持原來的運動狀態,而力是改變運動狀態的原因。
由於地球是幾乎接近於勻速的在自轉,地球上的人由於慣性,也保持著繞著地球轉的運動狀態,也就是相對於地球面是靜止的運動狀態,因此,人感覺不到地球在動。
如果地球的自轉時快時慢,那麼人類其實就可以感覺到地球在自轉,這就好比我們在汽車中,如果汽車是勻速行駛的,我們不太能感受是汽車在動,還是周圍的車在動,這種現象尤其是在坐高鐵時,有相鄰列車靠近時,感受最明顯。如果汽車是突然加速或者突然加速,我們就可以感覺到汽車在動。