如果地球在宇宙中运动 为什么我们丝毫没有感觉？

本文参加百家号＃科学了不起＃系列征文赛。

我们感觉不到地球在太空中飞行，主要是因为我们和地球同处于一个运动系统中，就像你坐在高铁上，如果你不去看窗外的景色你也感受不到高铁正在高速行驶。又或者曾经你在座上高铁时，是否有种错觉，你不清楚是你身处的高铁在动，或者是旁边的高铁在动！

图：2005年8月2日，水星信使号宇宙飞船在引力的帮助下掠过地球时，拍下了几张令人震惊的地球照片。信使号的水星双成像系统(MDIS)使用广角相机拍摄了数百张照片，并将其连续排列起来，记录了信使号离开地球时的景象。

地球每24小时绕地轴自转一圈，每年绕太阳公转一圈，而整个太阳系围绕银河系以每秒220公里的速度公转，银河系加速向仙女座星系靠近，仙女座星系本身相对于大爆炸留下的辐射移动。然而，对于习惯了在地球上的经历的人来说，我们根本感觉不到。

图：如果你在移动的汽车上把你的四肢伸出窗外，当空气冲过来的时候你会感到一种力量。如果速度加倍，这种力量也会增加。如果你相对于空气处于静止状态，你就不会感受到任何力。

这个力的存在只是因为你的手在外面。从物理角度，是因为手以一个相对的速度运动撞向空气分子。相反，如果您关闭了车窗，您的手根本不会感到任何力。因为车内的空气相对于你的身体是静止的。只有当两个物体相对运动时，你才能感觉到力。

图：行星围绕太阳运行，太阳以不同的运动方向在星系中移动。

当我们在宇宙中运动时，我们没有传感器可以用来检测这个运动的影响，因为因为我们与地球同步加速运动。就像你在关上车窗、平稳行驶的汽车里感觉不到自己在运动一样，只要你也与地球相连，你就感觉不到地球在宇宙中移动。这个现象爱因斯坦早在100多年前就已经知道了。他意识到，物体运动的任何变化都似乎是一种加速度，而所有形式的恒定加速度很难与万有引力区分。

爱因斯坦称它为等效原理，并且等效原理说明了任何加速参考系的加速度原因都不可能由内部系统的一个物体决定。换句话说，如果你也是地球的一部分，地球在加速，那么你也会加速，这就是我们将无法感受地球运动的原因。

伽利略从比萨斜塔上扔下来的球是垂直下落的，而不是由于地球自转而落在后面，因为地球的大气层是随着地球的运动而运动的。

图：一个球在加速火箭中(左)和在地球上(右)轨迹相同（等效原理）

即使你不在地球上，这种现象也会发生。比如在国际空间站上，你肯定具有加速度。因为大地拉着你；太阳和行星拉着你；银河系和宇宙的其他因素也会对你施加引力，这些力使你加速。但同样的力也会导致你周围的所有物体，包括和你在一起的其他宇航员，物体，空间站本身产生和你一样的加速度。你体验到的其实是“自由落体”，其他物体也是如此。所有的东西相对于环境，并没有力，因此没有与环境不存在加速度，也就不存在相对运动。

图：宇航员和水果在国际空间站上

那就没有什么力和加速度是可以体现地球运动，跳出地球系统之外的？当然有，而且大部人体验过，只是它太小了，所以你很难察觉到。虽然人类处于系统之中，不过地球是一个三维球体，而我们每一个个体都是位于它的表面的一个点上。所以相对于地球本身，我们能感受到的一些力与地球感受到的力有些不同。

例如：潮汐力，我们的脚在地面上，比头更为接近地球的中心，这意味着来自地球的引力对你的脚稍微大一些。这可能还不足以引起我们的注意，但依此我们可以设计一个对引力的微小差异足够敏感的实验。第一个这样的实验室庞德-雷布卡实验，它主要是想测试爱因斯坦的引力理论，从而也验证了地球的运动。

图：物理学家格兰·雷布卡，在哈佛大学杰弗逊塔的下端，在著名的庞德-雷贝卡实验的准备阶段，他打电话给庞德教授。

另一个是潮汐对地球的影响。地球自转，月球拉扯着地球的地壳和它周围的海洋。当地球旋转时，来自月球的引力作用在每个点上，导致海洋膨胀。

虽然你作为一个独立的人，对力的变化不够敏感，但你可以很容易地感受到潮汐的涨落，虽然地球是绕地轴自转的，但是潮汐方向并非单一的。

图：月球对地球施加潮汐力，这不仅引起潮汐涨落，而且不停地使地球自转减速，结果就是24小时慢慢地就不是地球上的一天了。

最后，地球本身的旋转也会产生了一种特殊的力，物理学家叫它科里奥利力，所有物体都能感受到这种力。因为地球是相对于一个固定的位置旋转的。沿其表面不同纬度上的点会受到一个轻微的力，引起额外的旋转。

一个物体在北极或南极所受的力最大，这将使它比一个不在地球上的物体多经历一个360度的旋转。但两个不同的半球的旋转方向相反：北极的旋转方向是逆时针，而南极的旋转方向是顺时针。对于在赤道的人来说，力降为零，而中纬度的人在一天中只能增加小程度的旋转。

图：科氏力对北纬45度旋转的影响，请注意看两次同一位置的箭头。钟摆要绕地球转两圈才能在这个纬度上做一次完整的旋转。

1851年里昂·福柯在法国做了一个戏剧性的实验，他用一根长绳子把一个重物系在法国巴黎万神殿的天花板上。让它沿直线运动后，监测它一天的运动过程，发现它不停地摆动。时间一分一秒地过去，钟摆显然不是简单地来回摆动，而是相对于万神殿发生了旋转。因此证明了地球本身是在旋转的，科里奥利力是真实存在的，而且关于地球旋转的预言，实际上是源于一个更直接的、更容易观察到的实验。

图：在西班牙马拉加市的瓦伦西亚城，福柯钟摆正在运动。随着它的摆动与地球的旋转，撞倒了地板上的各种钉子。

作为人类，我们身体上的力传感器是原始的，只能在极短的时间内工作。想要体验到地球的旋转则需要一天的累积效应或者进行远远超出我们身体能力的精确测量。

地球的运动是真实的，而你感觉不到它的原因不是因为我们没有移动，而是因为你的人体相对于地球本身处于恒定的、一致的运动中。如果有什么东西从地球上对你施加一个不同的力，你会立刻感觉到它。如果是非常微小的力，长期持续的施加在你的身上，慢慢你会习惯。如果你想要让它显现，就需要一个比身体的感官更灵敏的仪器。简而言之，这就是科学的一个重要部分，找到超越感官的方法去探索和了解宇宙。