华盛顿大学地球与行星科学副教授迈克尔·维塞申解释道。
对于这个问题有一个简单的答案,它包含一些好消息和一些坏消息。想象一下这种情况:站在你浴室的体重秤上称一下自己的体重。(希望这不是坏消息。)现在假设你带着体重秤,前往月球,再次站在上面。你在那里的体重会是多少?新的数字大约是你地球体重的 1/6。最后,想象一下前往深空再次称量自己的体重。你将什么也称不到。(这是好消息。)你的体重是可变的,因为体重是一种力,它取决于某些东西对你的拉力。具体来说,它是引力,它取决于吸引你的物体的质量。如果你把地球推到深空中,它也将什么也称不到。(所以坏消息是你将和地球一样重。)
也就是说,我认为这位读者真正想问的是如何确定地球的质量。这有点复杂,但只是稍微复杂一点。更重要的是,与之前的问题不同,这个问题确实有一个直接的答案,而且你仍然可以使用浴室体重秤得到答案。正如物理学中经常发生的情况一样,相当复杂的事情可以用一个简单的方程很好地描述。在引力吸引的情况下,方程如下
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值 G 称为引力常数,它是通过数十年的仔细实验确定的。我们知道站在地球表面的人距离地球中心有多远(大约 6,371 公里),所以我们只需要知道他的质量,然后我们就可以计算出地球的质量。找到一个人的质量只需要计算他体内所有原子的数量。(但别忘了考虑他昨晚吃的墨西哥卷饼。)这很快就变成了一个复杂的问题。作为替代方案,也许我们可以使用一块更容易估计其包含原子数量的材料。也许可以,但这并不是你可以在浴室里进行的实验。
幸运的是,浴室体重秤仍然可以通过使用更简单的方程来帮助解决这个问题(尽管是以一种意想不到的方式)。事实证明,物体由于引力而产生的加速度率,称为“g”,取决于施加拉力的物体的质量。对于地球来说,我们有
所以,你可以打开浴室的窗户,把你的体重秤扔出窗外,数数它需要多少秒才能砸到人行道上。然后测量从你的窗户到地面的距离,你就可以计算出体重秤的加速度。你得到的答案将是 9.8 米/秒-2。知道地球表面的这个 g 值,以及常数 G 和到地球中心的 6,731 公里距离,你就可以计算出地球的质量为 6 x 1024 千克。(你也不会再被你的体重秤带来的坏消息所困扰了。)