對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，地球很重，它的質(zhì)量為5.97億億億千克。那么，如此重的地球是怎么懸浮在太空中的呢？什么力量在托著地球不往下掉呢？

宇宙中的方向

首先，宇宙中沒(méi)有絕對(duì)的方向，并不存在所謂的上方和下方。天體分布在宇宙空間中，不存在絕對(duì)參照系，所以天體的方位都是相對(duì)而言的。我們可以認(rèn)為地球處在太陽(yáng)的“下方”，或者也可以反過(guò)來(lái)認(rèn)為太陽(yáng)處在地球的“下方”。

地球上的方向

在地球上，我們會(huì)感受到方向，是因?yàn)榈匦囊Φ淖饔谩５厍蛏系奈矬w都會(huì)受到朝向地心的引力，這個(gè)方向正是我們所熟悉的“下方”。由于地球是個(gè)球體，所以地球上不同地方的“下方”并不一致，但都會(huì)指向地心。

對(duì)于太空中環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)的宇航員，他們沒(méi)有上下方向的感覺(jué)，因?yàn)樗麄兲幱谑е氐臓顟B(tài)。如果宇航員處在密閉的太空艙中，他們無(wú)法分辨出哪個(gè)方向是“下方”，或者地球在哪個(gè)方向。

地球的“下方”

雖然宇宙中沒(méi)有絕對(duì)方向，但在某種意義上能夠定義出地球的“下方”。太陽(yáng)的質(zhì)量遠(yuǎn)超地球，前者是后者的33.3萬(wàn)倍，太陽(yáng)強(qiáng)大的引力無(wú)時(shí)無(wú)刻不在試圖把地球吸引過(guò)去，我們可以認(rèn)為太陽(yáng)引力的方向是地球的“下方”。

那么，這個(gè)問(wèn)題就變成了“為什么地球不會(huì)掉進(jìn)太陽(yáng)中？”

雖然太陽(yáng)的引力持續(xù)施加在地球上，但地球并不會(huì)被吸引過(guò)去，因?yàn)榈厍虿粩喹h(huán)繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，可以抵消引力作用。關(guān)于這個(gè)原理，可以用“牛頓大炮”來(lái)作說(shuō)明。

牛頓大炮

試想一下，在地球上沿著水平方向發(fā)射出一枚炮彈，其飛行距離會(huì)隨著初速度的增加而變遠(yuǎn)。由于地心引力的存在，炮彈最終會(huì)掉到地上。但如果炮彈的初速度足夠高，由于地球是個(gè)球體，表面是彎曲的，炮彈能夠飛得足夠遠(yuǎn)，避開(kāi)地表，不會(huì)落到地上，從而會(huì)繞著地球旋轉(zhuǎn)。在沒(méi)有空氣阻力的情況下，炮彈會(huì)成為地球的衛(wèi)星，一直環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)。這個(gè)足夠高的初速度就是第一宇宙速度，大約為7.9公里/秒。

只要有足夠的速度，物體就能環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)而不會(huì)被引力吸引到地表。距離地表越遠(yuǎn)的地方，所受的地心引力越弱，所需的環(huán)繞速度越慢，例如，400公里高度（大部分載人飛船軌道）的軌道速度為7.7公里/秒，3.58萬(wàn)公里高度（地球同步軌道）的軌道速度為3.07公里/秒。

同樣地，地球以大約30公里/秒的速度繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，這個(gè)足夠快的軌道速度能夠使地球免于掉進(jìn)太陽(yáng)中。地球的軌道速度來(lái)自于46億年前原行星盤中的微行星，由于角動(dòng)量守恒，并且太空幾乎真空，地球才能不斷環(huán)繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。

銀心參照系

如果以銀河系中心為參照系，不僅上下方向看起來(lái)會(huì)發(fā)生變化，而且地球的運(yùn)動(dòng)方式看起來(lái)也會(huì)變得不同。地球環(huán)繞太陽(yáng)的軌道平面與銀道面的夾角為60.2°，銀心的方向成了“下方”，那是銀河系中所有天體的共同質(zhì)心所在之處。太陽(yáng)不會(huì)掉進(jìn)銀心中，也是因?yàn)樘?yáng)以220公里/秒的軌道速度在星際空間中快速穿行。

另一方面，地球在銀河系空間中的運(yùn)動(dòng)看起來(lái)并非是橢圓形。由于跟隨太陽(yáng)環(huán)繞銀心運(yùn)動(dòng)，地球的運(yùn)動(dòng)軌跡是螺旋形的。