在愛因斯坦的廣義相對(duì)論中,地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)可以通過時(shí)空的彎曲來解釋。根據(jù)廣義相對(duì)論,質(zhì)量和能量會(huì)使時(shí)空彎曲,而這種彎曲的時(shí)空決定了物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。太陽由于其巨大的質(zhì)量,使得周圍的時(shí)空發(fā)生了顯著的彎曲。地球在這種彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng),就會(huì)沿著所謂的“測地線”運(yùn)動(dòng)。
在一個(gè)不受其他引力影響的平坦時(shí)空中,地球會(huì)沿著直線運(yùn)動(dòng)。然而,太陽的質(zhì)量使得周圍的時(shí)空彎曲,地球在這種彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí),其軌跡就不再是直線,而是變成了一個(gè)橢圓形的軌道(在近似情況下)。
為什么地球不會(huì)一直靠近太陽?
軌道穩(wěn)定性:
- 在經(jīng)典力學(xué)中,地球繞太陽的軌道由牛頓萬有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律描述。根據(jù)這些定律,地球受到太陽的引力作用,同時(shí)由于地球的速度,它不會(huì)直接掉入太陽,而是沿著一個(gè)橢圓形軌道運(yùn)動(dòng)。
- 在廣義相對(duì)論框架下,地球沿著時(shí)空中的測地線運(yùn)動(dòng)。這個(gè)測地線在太陽質(zhì)量引起的時(shí)空彎曲中表現(xiàn)為一個(gè)穩(wěn)定的橢圓軌道。只要沒有額外的巨大擾動(dòng),這個(gè)軌道是穩(wěn)定的。
角動(dòng)量守恒:
- 地球在繞太陽運(yùn)動(dòng)時(shí)具有角動(dòng)量。角動(dòng)量的守恒定律表明,如果沒有外力矩作用,地球的角動(dòng)量是守恒的。由于這個(gè)守恒定律,地球不會(huì)無限制地靠近太陽。
能量守恒:
- 地球在軌道上的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)能量守恒的系統(tǒng)。地球的總能量(包括動(dòng)能和引力勢能)在沒有外界干擾的情況下是守恒的。即使地球在軌道上運(yùn)動(dòng),其軌道的形狀和大小也會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定,不會(huì)無限制地靠近太陽。
軌道預(yù)cession(進(jìn)動(dòng))
值得注意的是,廣義相對(duì)論提供了一個(gè)細(xì)微但重要的修正,即軌道進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。例如,水星的軌道進(jìn)動(dòng)(即其近日點(diǎn)的逐漸移動(dòng))是廣義相對(duì)論的一個(gè)預(yù)言并已被觀測驗(yàn)證。雖然地球的軌道進(jìn)動(dòng)比水星小得多,但仍然存在。
總結(jié)來說,地球繞太陽的軌道是廣義相對(duì)論中時(shí)空彎曲作用下的測地線運(yùn)動(dòng)結(jié)果。由于角動(dòng)量和能量守恒,地球不會(huì)無休止地靠近太陽,而是保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的軌道上。