月球撞击地球是咋样的（月球没有撞击地球的原因）

20世纪60年代，韦恩赫·冯·布劳恩撰写了一系列关于太空飞行的文章，其中一些文章发表在《科普月刊》上。这些文章收集成书，名为《空间前沿》（第一版，霍尔特，莱因哈特和温斯顿）。这是一本非常易读的书，讲述了火箭的工作原理，以及在太空中的飞行和安全问题。在其中一篇文章中，冯·布劳恩解释了为什么卫星能够在地球轨道上保持稳定。

他在文章的开始提出，如果我们可以像下面图中那样，水平的、更快的速度抛出一个物体，会发生什么？“最终，”他写道，“向下弯曲的轨道曲率将与地球的曲率相等。”（这一说法并不完全正确，但与下面的情况相比，这只是一个微小的错误。）最重要的一点是，当子弹移动得越来越快时，就会达到远离地球轨道的速度。再加上向下的方向不断变化，因此子弹永远不会靠近地面——它位于地球轨道上。这实际上是引力平方反比定律的一个奇妙的特殊特征。如果引力不是平方反比，这种情况是不可能发生的。一般来说，轨道是椭圆的。下面的这个图片最初由艾萨克·牛顿爵士的《公理》（1687年）收录。

在这之后，冯·布劳恩又提出，当子弹以更快的速度射出时，“它的轨迹将减少偏转，因为其离心力会因更高的速度而增加，更有效地抵消了地球引力。”在这一点上物理学家很迷惑。离心力？这和卫星运动有什么关系？

接下来，冯·布劳恩绘制了一张地球轨道卫星的图片。作用在卫星上的是两种力：引力，把卫星拉向地球；离心力，把卫星推开。他写道：“当一个小质量物体通过大物体的引力场时，如果恰好有足够强的离心力平衡了大物体的引力，就会出现圆形的运转轨道。”“如果引力和离心力之间的平衡不是完美的，……小物体将遵循椭圆路径围绕大物体转动。”

牛顿会怎么说呢？他也会画出作用在卫星上的力，然后采用“力=质量×加速度”公式计算，但首先，他选择一个“惯性系”，因为他的定律只在惯性系中起作用。惯性系是指我们抛球时，球以恒定的速度（即直线恒速）离开我们。由于这种情况并不都是发生在地球上，所以牛顿选择的框架是包括地球之外的更全面的框架。这一框架近似于太阳系，太阳处于静止状态，地球相当精确地围绕着它旋转，一年旋转一圈。这样的惯性系与冯·布劳恩提出的模型相似，因为任何非惯性的东西都不能很好地与他提出的地球和卫星框架结合在一起。

在惯性系中，如果卫星真的存在两个相等但相反的力，就像冯·布劳恩画的那样，那么它的合力将为零。所以卫星不会加速，它会以恒定的速度直线运动。由于轨道卫星没有直线移动，冯·布劳恩的图片和他的解释都不可能是正确的。

什么都无法支撑月亮！

事实上，没有什么东西能支撑月亮。正如牛顿的惯性系分析中预测的那样，月球完全处于引力的压力之下。换句话说，月球会坠落，因为在这样的框架中，月球上只有一种力：引力。引力给月球一个加速度。这并不意味着它的速度必须改变，或者它必须离地球更近（尽管实际上这两件事在一个月里都会发生，但这并不是一个重要的问题）。如果牛顿的F=ma公式是在引力作用下的一般情况下求解的，则得到的运动是直线、圆、椭圆、抛物线和双曲线。在自然界和纯数学的对应关系中，这些曲线就是我们取一个锥体，并将它切成任意方向时所产生的曲线。

即使月球的轨道是圆形的，但它的运动方向也会发生变化，这是一种加速度。（加速度是速度的变化，这意味着加速度可以改变物体的速度，或者改变物体运动的方向，或者两者兼有。）月球和其他所有的卫星，在引力作用下都会像苹果一样坠落。苹果的速度改变但运动方向不变，而月亮的运动方向改变，速度没有变化。如果月球现在我们上空，那么45分钟后它会下降到地球的另一边。到那时，向下的方向完全颠倒了，月球将再次向地球另一面的人坠落，在我们第一次看到它的90分钟后返回到我们身边。当然，它永远不会撞击地球，因为它始终存在着横向运动。月球离地心引力较弱的地方远得多，因此需要整整两个星期才能落到地球的另一边。

那么，什么是离心力？

那么，为什么提出离心力的概念？

如果我们坚持把非惯性系框架置于牛顿定律下，那么离心力的发明可以让我们在非惯性系中进行适当的标记。非惯性系的一个简单例子：考虑一下公交车刹车时会发生什么。一开始，每位乘客都向前移动。较重的人感觉到强大的力作用于他们自身，较轻的人只会感觉到一个较小的力。但所有的人都感觉到了同样的加速度。这是一种虚拟的力，因为它是我们用来解释为什么我们突然加速前进的一种力。在街道的惯性系中，这种力是不存在的。真正的力是由地面对公交车轮胎的摩擦提供的一个简单的力，并通过刹车传递给公交车车身。这种力加速了公交车的后退或减速。除非乘客坚持住，否则他们会继续向前移动，直到公交车内有其他物体将他们止住。

根据我们对参照系的选择，在分析乘客为何向前移动存在两种力。

在街道的惯性系中，制动力会推动公交车后退，这是一种在惯性系中产生的真正的力。它只在公交车上工作，所以除非我们坚持，否则我们将继续以恒定的速度前进。

在公交车刹车的非惯性系中，力作用于我们的身体而不是公交车。它会推动我们前进，其力量与我们的重量成正比。如比我们重两倍的乘客会感受到两倍的力，但我们和他们都会感觉到同样的加速度，这无疑比公交车与街道的参照系复杂得多。如此依赖于质量的力是不合适的，我们可以使用非惯性系。如果我们要求牛顿定律在这样的参照系内成立，那么我们将不得不借助这个虚拟的力。

需要注意的是，虽然汽车刹车时推动我们前进的力通常被认为虚拟的，但对于公交车的乘客来说这个力是真正存在的。从基础的角度解释自然的力看似不“自然”，但并不意味着这虚构的力不是“真实的”。如果我们足够集中精力，这种虚拟力就会消失。“虚拟”一词仅仅是指，当我们将参照系转换到惯性时，力就不存在了，因为惯性系在物理学中占有非常特殊的地位。但是，作为一种量化公交车乘客在刹车时如何倾斜的手段，虚拟力是完全合适的，并且和其他任何一种力一样真实。它像所有其他的力一样，囊括在牛顿定律中。

离心力也是这样的一种虚拟力。当我们分析一个旋转情境时，由于圆周运动包括加速（可能只是方向改变，不一定是速度改变）。所以旋转框架也会加速，就像公交车一样。当公共汽车拐弯时，我们会感觉到离心力。如果我们选择了更好的参照系（比如惯性的街道参照系），那么我们就会看到：由于轮胎上的道路摩擦，公交车感觉到了一种力，而乘客根本没有感觉到任何力量，直到公交车的速度超过乘客的自然恒速运动，才能把乘客甩到公交车的拐角处。但是在非惯性的公交车参照系中，有一种力会对乘客进行侧推。

所以离心力是一种虚拟力，用来使牛顿定律适用于旋转的情境（在这个问题上，科氏力是另一种我们在地球平缓旋转的情境中引入的虚拟力，可以用来解释为什么由于压差而移动的大气团会感觉到产生风的力）。如果在惯性系内进行计算，那么离心力与卫星的运动完全无关。如果我们选择一个非惯性系，那么我们肯定需要使用离心力。但是非惯性系对解释为什么卫星绕地球运行没有任何用处。

一个很直观的例子是地球同步卫星。它们被放置在离地球赤道约36000公里的轨道上，其高度正好与它们一天内绕地球轨道的高度相当。由于地球在同一周期只旋转一次，这些卫星总是在其表面的同一点上空盘旋。从惯性系（比如说太阳系）来看，地球同步卫星没有什么特别之处。它们只感觉到引力，卫星受到地球的引力会下降，同时又会保持最初火箭对它们施加的横向运动。但是从站在地球表面的某个人的角度来看，一颗地球同步卫星只是徘徊在一个地方，就好像它在某种程度上克服了引力一样。记住，旋转的地球是一个非惯性系，我们需要引用离心力符合牛顿的F=ma公式。因此，我们可以肯定地说，在这个框架中，有一种离心力支撑着卫星。但正因为非惯性系并不合适，所以我们被迫构造出虚拟的离心力。离心力的存在使我们可以在这一非惯性系框架里进行计算。不过，为了解释卫星为什么会静止，我们需要选择一个惯性系。在这一框架中，离心力是不存在的，卫星也并非静止。

引力本身是一种虚拟力吗？

在前面我提出，当公交车刹车时，我们感觉到的力的强度与我们自身的质量成正比。但是引力呢？它也有一个与我们的质量成正比的力！引力也可能是一种虚拟力吗？

是的，这正是现在人们对引力的看法。这是爱因斯坦广义相对论的内容。爱因斯坦推测，也许我们看待事物的方式是错误的。牛顿认为卫星的轨道，抛射物的飞行，或苹果的坠落，都是由引力的神秘作用引起的复杂运动。但是爱因斯坦把这个问题应用到太空，认为在曲线时空的角度来看，卫星、子弹和苹果都遵循简单的运动，唯一遵循复杂运动的物体，是站在地球表面的我们。

爱因斯坦在观点上的改变并不只是一种不同的观点，这使他能够做出区别于牛顿理论的不同预测。爱因斯坦的预测在实验中得到了很好的证实。

所以引力可以被看作是一种虚拟力。但与我们在公共汽车中的日常体验相比，是一种“高阶”的虚拟力。不同于公交车刹车时推动我们前进的非常均匀的力，引力不可能通过简单的情境变化而完全消失。此外，曲线时空的数学计算比牛顿的F=ma公式更复杂。所以在日常使用中，把引力当作一种真实的力是完全合适的。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. ucr-董美慧

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