走进科学
理解重力 ： 太空里有“上”和“下”吗？
任何有质量的物体都会扭曲时空的连续性，我们把它感知为重力把我们“向下”朝向物体的中心。
长期以来，国际空间站(ISS)的宇航员们一直在利用看似失重的太空来寻找乐趣——在空中追逐他们的晚餐，玩拔河比赛，模仿超级英雄。 但是，在太空中是否存在传统意义上的“上”和“下”呢？ 根据宇航员们的经验，我们很容易就会想到，我们通常用来定义我们所处位置的称谓，例如上和下或南和北，一旦我们离开地球就不再适用。
在某种程度上是这样，但我们仍可以使用人类对空间和时间的感知来定位自己在星空中的方位。
就像在地球上一样，国际空间站上的宇航员也受引力的影响，引力是宇宙中的四个基本力之一。根据芝加哥大学的核天体物理学家Sanjana Curtis的说法，物理学家的主流观点是，“下”方向就是引力拉拽你的方向，“上”方向就是相反的方向。宇航员的失重状态源于国际空间站及其内部的人都在自由落体，被地球的引力拉向地心。空间站得以悬浮是因为空间站及其产生的离心力的速度将它推向“上”方，即远离地球，这个速度大致等于引力的拉力。这种平衡称为稳定的轨道。
Curtis说：“这是物理学最激动人心的方面之一，我们有一个框架来描述和理解那些不直观或我们无法感知的事物。‘上’和‘下’可能是模糊的术语，但在物理学中，你总能找到一个有效的定义。”
爱因斯坦将引力描述为时空结构的扭曲，为了说明这一理论，科学家通常用一个拉紧的床单作为简化的比喻。如果你在床单上放一个保龄球，它的质量会使床单中心下沉。如果你然后添加一颗弹珠，它会滚向那个下沉处的底部，被引力拉住。
任何有质量的物体都会弯曲时空结构。因此，宇宙中很难有任何地方不受引力的影响，这个结论来自费米国家实验室的粒子物理学家Jessica Esquivel。如果你在地图上再放一颗弹珠(即使在边缘)，它也会从多个方向被拉拽。她说：“在空间的任何地方，你都会感觉到那个床单的弯曲，那就是引起这种现象的引力。”
一般来说，一个物体的质量越大，其造成的弯曲越深，拉力越强，但你的距离也很重要。因此，你站立的行星——无论是地球还是火星，总是对你施加最强的引力。同时，我们太阳系中的行星被拉向太阳的中心。更远处，我们星系中心的超大质量黑洞也在拉拽整个太阳系靠近。在星系之外，最大的拉力来自最近的星系团。
Esquivel说：“你可以不断放大，看到那时空结构的不同层面。”
虽然引力是一种基本力，但我们对它的了解还远未完备。例如，科学家还未将引力纳入粒子物理学的标准模型，因为引力的主导理论(爱因斯坦的广义相对论)迄今与标准模型不相容。虽然像“上”或“下”这样的术语帮助我们理解宇宙，但它们有时也会阻碍我们对基本物理学的理解。
Esquivel说：“我的工作中最困难的事情之一就是尝试跳出这些二元关系，想象一个没有上、下、前、后、过去、现在的空间。 我们必须参与到这种美丽的流动性中，这确实很难，但也是工作中最有趣的部分之一。”
本文译自 Live Science，由 BALI 编辑发布。