说地球一直在往太阳里掉,很多人第一反应是不信。可这话一点不假。更有意思的是,地球天天在掉,人类真想把一样东西扔进太阳,却难得要命。
我们觉得,正是这种想掉掉不进去的别扭,把宇宙里最诡异也最靠谱的一条规律讲透了。先算一笔小账。地球绕太阳跑的速度,大约每秒29.8公里。
如果假设地球保持当前速度沿切线直行,那么在太阳引力作用下,一秒之后,它的位置会比这条直线路径向太阳一侧偏离大约3毫米。正是持续发生的轨道弯曲,使地球围绕太阳运行。3毫米,比一粒米还短。
可就是这每秒3毫米的下坠,日积月累,把一条直线掰成了一个将近9.4亿公里长的大圈。地球就这样一边往前冲,一边往太阳那边掉,掉了四十多亿年,转出了我们熟悉的一年又一年。
地球的这股下坠力有多大,也能算出来。太阳对地球的引力,让地球朝太阳方向产生的加速度大约是每秒每秒6毫米。
可地球的质量实在太大,约有60万亿亿吨,这股力折算下来,大约是3.5×10²²牛顿。那地球为什么永远掉不进去?因为它往前冲得太快了。
每往太阳那边落一点,它已经往前跑出去将近30公里,等它再往下落,太阳又被甩到了侧面。下落和前冲配合得刚刚好,地球就始终绕着太阳兜圈子。我们感觉不到这种下坠,也不奇怪。
地球上的人、房子、空气、海水,统统跟着地球一起在掉,大家的步调完全一致,谁也不比谁掉得快。就像一群人一起坐电梯往下走,彼此之间看起来都是静止的。
太阳的这股拽力其实也拽着我们每一个人。只不过,地球连同我们一起,被拽得一模一样,所以我们感觉不到。
真正能让人感觉到的,是月亮和太阳对地球不同部位拉力的细微差别,这就是海水每天涨落的潮汐。说到这里,问题就来了。既然地球本来就在往太阳里掉,那人类想送个东西去太阳,应该易如反掌才对?
顺手一扔,让它掉下去就行了。现实正好相反,这是人类航天史上最难办的事情之一。原因就出在那每秒29.8公里上。从地球出发的任何东西,一开始都带着地球的这股横向速度。
作个对比更直观。一样东西要是想从地球轨道附近飞出太阳系,只需要在原来的速度上再加大约每秒12公里,也就是说,飞出太阳系,比一头扎进太阳要省力得多。离太阳最近的地方,反而最难抵达。
美国的帕克太阳探测器,就是被这道难题逼出来的。美国航天局曾经算过,把这个探测器送到太阳附近所需的发射能量,是去火星的55倍。光靠火箭推,根本办不到。
科学家想了一个巧办法,借金星的引力来刹车。帕克探测器2018年8月升空,此后先后七次飞掠金星,每掠过一次,金星就帮它把绕太阳的速度往下压一点,轨道一圈比一圈贴近太阳。
2024年12月24日,帕克探测器飞到了离太阳表面大约610万公里的地方,这是人造物体离太阳最近的一次。那一刻,它的速度达到每小时69万公里左右,成了人类造过的最快的东西。这个速度本身,就是坠落的证据。
帕克探测器离太阳越近,被拽得越狠,掉得越快,速度也就越大。它像是一个从高处往下冲的过山车,越接近底部,冲得越猛,可它依然没有掉进去,一次次擦着太阳飞了过去。
地球的速度并非一成不变。每年1月初,地球走到离太阳最近的位置,跑得最快,每秒大约30.3公里;7月初离太阳最远,跑得最慢,每秒大约29.3公里。离太阳近的时候掉得更急,速度自然更快,这跟帕克探测器的道理完全一样。
借别的星球的引力来加速或减速,这一招叫引力助推。上世纪七十年代发射的旅行者号探测器,就靠着木星、土星等行星的引力一路加速,飞到了太阳系的边缘。
航天工程师算轨道,说穿了就是在一条条坠落的轨迹之间挑最省力的那条。中国的火星探测也用到了这个道理。
火星离太阳比地球远,探测器要从地球的轨道爬升到火星的轨道,最省力的办法是选在两颗行星位置合适的时候出发,沿着一条半个椭圆的路线滑过去。这样的发射窗口,大约每26个月才出现一次。
2020年7月23日,天问一号就是抓住这样的窗口出发的。它飞了将近七个月,2021年2月进入环绕火星的轨道。
这一路上,探测器大部分时间并没有开发动机,就靠太阳引力拉着,沿着算好的轨道自己往前滑。眼下正在进行的天问二号任务,把这场坠落演绎得更妙。它是去年5月29日从西昌起飞的,要去找一颗编号2016HO3的小行星。
今年7月6日,国家航天局对外宣布,探测器在太空里走了约400天、10亿公里上下,已经停到了离那颗小行星20公里左右的地方。这颗小行星很特别,它被称作地球的准卫星。
从地球上看,它好像一直绕着我们转,可实际上,它跟地球一样,绕着太阳在转,只是轨道跟地球非常接近,步调又几乎一致,所以一直在地球附近徘徊。换句话说,它和地球是两个并肩往太阳掉的伙伴。
一个大,一个小,各掉各的,又彼此作伴。天问二号能找到它、追上它,靠的就是对这些坠落轨迹的精确计算。
据中国航天科技集团10月中旬的消息,天问二号已经与这颗小行星成功交会,正在伴飞探测,为采样返回做准备。这颗小行星直径只有几十米到一百米左右,引力极弱,探测器在它旁边飞行,比在大行星旁边难得多。
我们头顶上的中国空间站,也在上演同样的坠落。它离地面大约四百公里,那里的引力仍然有地面的九成左右。
航天员之所以飘着,是因为空间站和他们一起在往地球掉,横向速度又足够快,一直掉不到地面上。这种状态,科学家称作微重力。
中国空间站这些年在微重力环境下开展了大量的科学实验,从材料到生命科学,研究的都是失去重量感以后,物质和生命会有什么样的变化。实验能做成,靠的正是这场持续的坠落。
再往大处看,太阳自己也在掉。它带着整个太阳系,绕着银河系的中心转圈,每秒大约两百多公里,转一圈要两亿多年。银河系里的上千亿颗恒星,都在各自的轨道上绕着中心落,又都落不进去。
宇宙里没有一个天体是悬浮着不动的。行星绕恒星掉,卫星绕行星掉,恒星绕星系中心掉。所谓悬浮,只是我们站在一个跟着一起掉的平台上,误以为一切都停住了。这样一想,地球往太阳里掉,就一点也不吓人了。
它掉了四十多亿年,一直掉得稳稳当当,四季照常轮换,日出日落照常进行。正是这场永远完不成的坠落,给了地球上的生命一个稳定的家。稳定的关键,在于速度和引力之间的平衡。
速度慢一点,轨道就往里收;速度快一点,轨道就往外扩。地球的速度恰好落在一个合适的范围里,离太阳不远也不近,水能以液态存在,生命才有了生长的条件。人类认识这一点,经历了很长的过程。
古人看太阳东升西落,以为是太阳绕着地球转;后来哥白尼把太阳放到了中心,开普勒找到了行星运动的规律,牛顿用万有引力把天上地下的运动统一了起来。一代代人一点点拨开了直觉的迷雾。
今天,这些规律已经变成了实实在在的工程能力。卫星导航、气象卫星、空间站、深空探测,背后都离不开对坠落轨迹的精确计算。中国航天这些年能一步步走向深空,靠的也是把这些规律吃透、用好。所以,下次再听到地球一直在往太阳里掉,不必惊慌,也不必怀疑。
这是宇宙最朴素的运转方式,也是人类最可靠的航行地图。读懂了这场坠落,就读懂了脚下这颗星球为什么能如此安稳。地球在掉,月亮在掉,空间站在掉,天问二号陪着一颗小行星一起在掉。
整个宇宙,就是一场盛大而有序的坠落。我们每个人,都是这场坠落里安安稳稳的乘客。