地球不僅在繞著自己的軸旋轉(zhuǎn)，也圍繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)隨著銀河系移動(dòng)，并被銀河系帶向更深遠(yuǎn)的太空中。
▲ 地球繞著地軸自轉(zhuǎn)，并繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，而太陽(yáng)又以每秒數(shù)百千米的速度繞銀河系中心運(yùn)轉(zhuǎn)。在銀河系附近，太陽(yáng)和其他恒星圍繞銀河系中心的速度的不確定度約為 10%（約 20 千米 / 秒），這是計(jì)算我們?cè)谟钪嬷欣鄯e運(yùn)動(dòng)時(shí)最大的不確定性因素。
無(wú)論從哪個(gè)角度看，地球都在時(shí)刻不停地運(yùn)動(dòng)著。這顆藍(lán)色星球圍繞著自轉(zhuǎn)軸不停旋轉(zhuǎn)，大約每天旋轉(zhuǎn)一圈。在自轉(zhuǎn)的同時(shí)，地球也圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，每年完成近 10 億千米的旅程。此外，整個(gè)太陽(yáng)系 —— 包括太陽(yáng)、各大行星及其衛(wèi)星等 —— 都處于銀河系當(dāng)中，以比人類存在時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)間尺度繞銀河系中心運(yùn)行。最后，銀河系在本星系群之內(nèi)移動(dòng)，而本星系群本身又在星系際空間中移動(dòng)。
根據(jù)對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，我們可以量化地球在宇宙中移動(dòng)的速度。盡管在地球上，我們所做的實(shí)驗(yàn)幾乎無(wú)法探測(cè)到地球的運(yùn)動(dòng)，但通過對(duì)宇宙的觀察，我們能夠精確地了解地球在不同尺度上的運(yùn)動(dòng)。
▲ 這張地球的照片是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的信使號(hào)探測(cè)衛(wèi)星提供的。為了以最少的燃料到達(dá)最終目的地水星，信使號(hào)在地球和金星附近進(jìn)行了多次近距離飛越。地球是旋轉(zhuǎn)的球形，具有很鮮明的特點(diǎn)。這種旋轉(zhuǎn)解釋了為什么地球在中部凸起，在兩極壓縮，赤道和極地位置的直徑并不一致。
地球自轉(zhuǎn)有多快？
這個(gè)問題似乎看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但其實(shí)有著不同的答案，取決于你在地球表面的確切位置。地球可以視為一個(gè)剛體，這意味著隨著時(shí)間的推移，某個(gè)陸塊相對(duì)于其他陸塊會(huì)保持相對(duì)恒定的狀態(tài)。地球繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，其表面幾乎每一個(gè)點(diǎn)完成一次完整自轉(zhuǎn)的時(shí)間都不到 24 小時(shí)，準(zhǔn)確地說，是 23 小時(shí) 56 分 4.09 秒。
我們之所以給一天分配 24 小時(shí)，是因?yàn)榈厍驀@太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)改變了地球相對(duì)于前一天開始時(shí)的相對(duì)位置。事實(shí)上，地球不只是圍繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，還圍繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。這些額外的運(yùn)動(dòng)使得我們的星球需要旋轉(zhuǎn) 360 度多一點(diǎn)才能從日出到日出，或從日落到日落。
人們常說地球的半徑約為 6371 千米，但這只是平均半徑。在現(xiàn)實(shí)中，地球不僅有山脈、山谷和海洋等局部地形特征，而且作為一個(gè)整體，地球在赤道處隆起，在兩極則略有壓縮。處于休眠狀態(tài)的欽博拉索山（位于厄瓜多爾中部）是距地球中心最遠(yuǎn)的地方，距離達(dá)到 6384.4 千米，而北極的海平面距離地球中心只有 6356 千米。
不過，整個(gè)地球在不到 24 小時(shí)的時(shí)間間隔內(nèi)完成一次 360 度的旋轉(zhuǎn)，意味著在地球赤道（0 度緯線）上的人運(yùn)動(dòng)距離最遠(yuǎn)，達(dá)到每小時(shí) 1676 千米；隨著緯度越高，你隨地球旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)就較慢。在南北緯 45 度的人移動(dòng)的速度只有 1183 千米 / 小時(shí)，而在北極或南極的人根本不會(huì)移動(dòng)；他們只是簡(jiǎn)單地完成一次旋轉(zhuǎn)，始終保持在地球的地理極點(diǎn)上。
▲ 地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周的距離是 9.4 億千米。每一天，地球在太空中會(huì)多走 300 萬(wàn)千米，這使得地球繞地軸旋轉(zhuǎn) 360 度的同時(shí)，太陽(yáng)每天在天空中的相對(duì)位置不會(huì)保持不變。這就是我們的一天比地球旋轉(zhuǎn) 360 度所需的 23 小時(shí) 56 分鐘還要長(zhǎng)的原因。
地球是一顆繞地軸旋轉(zhuǎn)的行星，這一事實(shí)引出了一些有趣的結(jié)果：
（1）重力加速度在高緯度地區(qū)略強(qiáng)，因?yàn)樵娇拷匦?，加速度越大。換言之，你在兩極的速度會(huì)比在赤道的速度快 0.5%。
（2）地球赤道的運(yùn)動(dòng)速度更快，意味著你越接近 0° 緯線，發(fā)射物體到太空所需的能量就越少，這就是地球上幾乎只選擇熱帶地區(qū)進(jìn)行火箭發(fā)射的原因。
（3）月球和太陽(yáng)引力導(dǎo)致的潮汐作用，意味著地球會(huì)隨著時(shí)間推移產(chǎn)生輕微的“剎車”效應(yīng)。每過一年，地球一日就比上一年增加約 14 納秒（1 納秒等于十億分之一秒）。將時(shí)間推回到大約 40 億年前，在太陽(yáng)系的早期階段，地球的自轉(zhuǎn)速度要比現(xiàn)在快 3 到 4 倍，意味著當(dāng)時(shí)一天只有 6 到 8 小時(shí)，而不是 24 小時(shí)。
▲ 地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道不是一個(gè)完美的圓，而是一個(gè)橢圓形。地球的偏心率，也就是公轉(zhuǎn)軌道“長(zhǎng)軸”和“短軸”之間的差值，會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化。地球離太陽(yáng)越近，相對(duì)于太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)越快；離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，相對(duì)于太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)越慢。
地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)的速度有多快？
由于自轉(zhuǎn)，地球表面上的點(diǎn)最快可以達(dá)到每小時(shí) 1676 千米的速度，相當(dāng)于每秒 0.47 千米。但與地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速度相比，自轉(zhuǎn)速度可以忽略不計(jì)。
地球與太陽(yáng)的距離約為 1.5 億千米，在這種情況下，太陽(yáng)的質(zhì)量決定了一顆行星 —— 或任何一顆衛(wèi)星 —— 需要以多快的速度運(yùn)動(dòng)，才能保持在一個(gè)穩(wěn)定的、接近圓形的軌道上。平均而言，這個(gè)速度接近每秒 30 千米；當(dāng)?shù)厍驈碾x太陽(yáng)最近的點(diǎn)（近日點(diǎn)）移動(dòng)到離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的點(diǎn)（遠(yuǎn)日點(diǎn)）時(shí)，它的實(shí)際速度一直在變化。地球運(yùn)行最快時(shí)，速度為 30.29 千米 / 秒；運(yùn)行最慢時(shí)，速度僅為 29.29 千米 / 秒，二者相差約 3%。
更靠近太陽(yáng)的行星運(yùn)行速度更快，其中以水星的運(yùn)行速度最快，約為 47 千米 / 秒；在地球之外，距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的行星運(yùn)行速度越慢，一直到海王星，其運(yùn)行速度僅為 5.4 千米 / 秒。不過，正如地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球自轉(zhuǎn)的速度一樣，其他宇宙運(yùn)動(dòng)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球的公轉(zhuǎn)速度。
▲ 行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的精確模型，與此同時(shí)，太陽(yáng)以另一個(gè)方向在星系中運(yùn)動(dòng)。每顆行星與太陽(yáng)的距離決定了它所接收到的總輻射量和能量，但這并不是決定行星溫度的唯一因素。
太陽(yáng)系在銀河系中移動(dòng)的速度有多快？
如果太陽(yáng)質(zhì)量更大，這些行星就需要以更快的速度繞軌道運(yùn)行，才能保持當(dāng)前的位置；這一切都是由萬(wàn)有引力的本質(zhì)決定的。銀河系本身就包含了數(shù)千億顆恒星，所有這些恒星及其恒星系也都在引力的作用下不停運(yùn)轉(zhuǎn)。即使我們所處的位置距離銀河系中心相當(dāng)遙遠(yuǎn) —— 將近 27000 光年 —— 但無(wú)論是太陽(yáng)，還是鄰近的其他恒星，都被拉進(jìn)了圍繞銀河系的橢圓軌道中。
繞銀河系公轉(zhuǎn)一圈需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間：大約在 2.2 億年到 2.5 億年之間。換句話說，當(dāng)我們上一次處于相對(duì)于銀河系中心的這個(gè)位置時(shí)，第一批恐龍才剛剛開始出現(xiàn)。
據(jù)估計(jì)，太陽(yáng)繞銀河系的速度約為 220 千米 / 秒，大約是地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)速度的 7 倍。這個(gè)數(shù)字中有大約 20 千米 / 秒是不確定的，因?yàn)槲覀冎恢赖厍蛟阢y河系中移動(dòng)的速度有多快，精度約為 10%。這個(gè)約 20 千米 / 秒的值，也近似于科學(xué)家觀測(cè)到的鄰近恒星相對(duì)于我們的運(yùn)動(dòng)速度。地球（作為太陽(yáng)系的一部分）在宇宙中以各種不同的方式運(yùn)動(dòng)，而其在銀河系中的運(yùn)動(dòng)有著最大的不確定性。
▲ 太陽(yáng)繞銀河系中心運(yùn)行的軌道在銀河系平面內(nèi)，其與銀河中心的距離大約 25000 到 27000 光年。但是，太陽(yáng)系中行星的軌道方向與銀河系并不一致。就目前所知，在恒星系統(tǒng)中，行星的軌道平面是隨機(jī)的，通常與中心恒星的旋轉(zhuǎn)面對(duì)齊，但也會(huì)隨機(jī)地與銀河系平面對(duì)齊。
同樣值得指出的是，行星圍繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)并不完全與太陽(yáng)和太陽(yáng)系在星系中的運(yùn)動(dòng)一致。盡管太陽(yáng)系環(huán)繞銀河中心運(yùn)行的軌道大約在銀河平面上 —— 銀河系的盤狀平面直徑超過 100000 光年，但厚度只有大約 2000 光年厚 —— 但行星本身圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道平面（黃道面）與銀河系平面呈 60 度的傾角。
因此，根據(jù)地球與太陽(yáng)系穿過銀河系的方向是相同還是相反，就可以計(jì)算出我們?cè)诘厍蛏洗┻^銀河系的累積運(yùn)動(dòng)速度，從 208 到 237 千米 / 秒不等。在一年的時(shí)間里，這一速度值會(huì)發(fā)生變化。盡管太陽(yáng)系本身毫無(wú)疑問在圍繞銀河系中心進(jìn)行橢圓運(yùn)動(dòng)，但這個(gè)軌道的偏心程度（離銀河系中心最近和最遠(yuǎn)的距離之間有多大差別）還沒有很確切的數(shù)值。盡管這個(gè)值可能略低于 10%，但事實(shí)是，與其他恒星的近距離接觸（每百萬(wàn)年隨機(jī)發(fā)生幾次）正在不斷改變太陽(yáng)系在銀河系中的軌道參數(shù)。
這樣一個(gè)混亂的環(huán)境，似乎可以用一句古老的丹麥諺語(yǔ)來(lái)描述，那就是“很難做出預(yù)測(cè)，尤其是關(guān)于未來(lái)的預(yù)測(cè)”。
▲ 這一系列的照片展示了銀河系和仙女座星系合并的過程，以及從地球上看到的天空景象。當(dāng)這兩個(gè)星系合并時(shí)，它們的超大質(zhì)量黑洞也有望完全合并在一起。目前，銀河系和仙女座星系正以 109 千米 / 秒的相對(duì)速度向?qū)Ψ揭苿?dòng)。
銀河系在本星系群中移動(dòng)的速度有多快？
兩個(gè)大質(zhì)量物體之間的引力強(qiáng)度決定了它們?cè)谙嗷ビ绊懴孪虮舜思铀龠\(yùn)動(dòng)的程度，而這種加速，隨著時(shí)間的推移，會(huì)導(dǎo)致這些質(zhì)量在宇宙空間中快速移動(dòng)。即使在地球繞著地軸自轉(zhuǎn)，繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，同時(shí)整個(gè)太陽(yáng)系在圍繞銀河系公轉(zhuǎn)時(shí)，也有更大的宇宙運(yùn)動(dòng)在起作用。離我們最近的例子便是所謂的本星系群，銀河系是其中大約 60 個(gè)獨(dú)立星系中第二大的，而它們都被捆綁在一起。
本星系群中規(guī)模最大、質(zhì)量最大的星系是仙女座星系，距離我們大約 250 萬(wàn)光年，其質(zhì)量可能是銀河系的兩倍。仙女座星系太遙遠(yuǎn)了，我們無(wú)法精確測(cè)量它的位置如何隨時(shí)間變化 —— 至少在人類的時(shí)間尺度上是這樣 —— 但我們可以測(cè)量它在視線范圍內(nèi)的速度。根據(jù)天文學(xué)家觀測(cè)到的宇宙光譜線的藍(lán)移，我們可以知道仙女座星系正以 301 千米 / 秒的速度向太陽(yáng)系移動(dòng)。
考慮到太陽(yáng)在銀河系中移動(dòng)的方向和速度，我們可以確定銀河系和仙女座星系正以 109 千米 / 秒的速度相向而行；換言之，我們正處在這兩個(gè)星系碰撞的過程當(dāng)中，大約 40 億年后，一場(chǎng)偉大的星系合并將會(huì)揭開序幕。
▲ 室女座超星系團(tuán)的各個(gè)星系聚集在一起。在最大的尺度上，宇宙是均勻的，但當(dāng)你觀察星系或星團(tuán)尺度時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)同時(shí)存在著過密集區(qū)域和低密度區(qū)域。
本星系群穿越星系際空間的速度有多快？
最后，只有當(dāng)我們繪制出宇宙中完整的星系群、星系團(tuán)、超星系團(tuán)以及更大的結(jié)構(gòu)時(shí)，我們才能探測(cè)到最宏大的尺度。在鄰近的宇宙中，另一些巨大的物體也在向我們施加作用。低密度區(qū)域（underdense region）失去了曾經(jīng)擁有的物質(zhì)，其周圍更加密集的區(qū)域獲得了這些物質(zhì)；因此，低密度區(qū)域正以一種低于宇宙平均水平的力拉扯著我們，其本質(zhì)上施加了一種排斥的效應(yīng)。
本星系群屬于范圍更大的室女座超星系團(tuán)，后者也是本星系群周圍的大部分引力的來(lái)源。相對(duì)于其他宇宙運(yùn)動(dòng)，室女座超星系團(tuán)吸引著我們以大約 300 千米 / 秒的速度向其移動(dòng)。然而，在天空的另一邊，與室女座超星系團(tuán)中心相對(duì)的，是一個(gè)明顯密度較低的空間區(qū)域。具有大質(zhì)量的空間區(qū)域被稱為星系團(tuán)，這些低密度的區(qū)域則被稱為空洞（void）；鄰近宇宙中的空洞也以大約 300 千米 / 秒的速度將我們排斥出去。
因此，我們的一邊是擁有大量星系、質(zhì)量巨大的超星系團(tuán)，另一邊則是一個(gè)稀疏的、物質(zhì)貧乏的空洞，吸引的力和排斥的力都指向同一個(gè)方向，導(dǎo)致本星系群的凈運(yùn)動(dòng)速度約為每秒 600 千米。
▲ 由于物質(zhì)在整個(gè)宇宙中大致均勻分布，不僅是過密集的區(qū)域會(huì)影響地球的運(yùn)動(dòng)，低密度的區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生影響?？茖W(xué)家最近才發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“偶極排斥器”的性質(zhì)，可以解釋本星系群相對(duì)于宇宙中其他物體的奇特運(yùn)動(dòng)。
那么，我們?cè)诳臻g中的運(yùn)動(dòng)速度累積起來(lái)是多少呢？
將所有這些運(yùn)動(dòng)綜合在一起：
?地球繞地軸自轉(zhuǎn)；
?地球繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)；
?太陽(yáng)在銀河系中移動(dòng)；
?銀河系向仙女座星系移動(dòng)；
?本星系群被鄰近的過密集區(qū)域所吸引，被鄰近的低密度區(qū)域所排斥。
我們就可以得到一個(gè)值，表示我們?cè)谌魏谓o定時(shí)刻在宇宙中移動(dòng)的速度。
總體而言，我們?cè)谔罩械倪\(yùn)動(dòng)速度總和約為 368 千米 / 秒，朝著一個(gè)特定的方向：獅子座。在一年的時(shí)間里，這一數(shù)值的變化幅度可達(dá)每秒 30 千米，主要是由于地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的變化。對(duì)宇宙微波背景輻射的測(cè)量證實(shí)了這一點(diǎn)：宇宙微波背景輻射在我們移動(dòng)的方向（獅子座）上更熱，而在相反的方向（遠(yuǎn)離水瓶座）上更冷。
▲ 雖然宇宙微波背景在所有方向上都具有大致相同的溫度，但在一個(gè)特定的方向上，卻存在 1/800 的偏差：這與我們?cè)谟钪嬷械倪\(yùn)動(dòng)是一致的。在宇宙微波背景輻射自身振幅的整體幅度為 1/800 的量級(jí)時(shí)，對(duì)應(yīng)的是 1/800 光速的運(yùn)動(dòng)速度，相對(duì)于太陽(yáng)大約是 368 千米 / 秒。
忽略每年公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的變化，我們可以確定太陽(yáng)相對(duì)于宇宙微波背景的運(yùn)動(dòng)速度為 368 千米 / 秒，這個(gè)數(shù)值的不確定度僅為 ±2 千米 / 秒。綜合目前所有的測(cè)量結(jié)果，我們可以計(jì)算出本星系群相對(duì)于周圍宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度：627±22 千米 / 秒，向半人馬座的方向移動(dòng)。±22 千米 / 秒的不確定度幾乎完全是由于太陽(yáng)繞銀河系中心運(yùn)動(dòng)的不確定度造成的，這是我們累積運(yùn)動(dòng)中最難測(cè)量的部分。
如果想知道地球在宇宙中移動(dòng)的速度，我們就必須先回答一個(gè)問題：“相對(duì)于什么移動(dòng)？”你是在問地球自身的旋轉(zhuǎn)速度，還是它相對(duì)于太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)速度？抑或是相對(duì)于銀河系或本星系群，還是宇宙的其他大尺度結(jié)構(gòu)？或者大爆炸本身剩下的光：宇宙微波背景？
在整個(gè)宇宙中，沒有什么是靜止不變的，也沒有什么是孤立存在的。今天，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)我們?cè)诓煌叨扔钪嬷械囊苿?dòng)有所了解。在未來(lái)，當(dāng)我們擁有一張更高清晰度的銀河系地圖時(shí)，或許就能夠預(yù)測(cè)我們未來(lái)在宇宙中的運(yùn)動(dòng)，其精度將是目前無(wú)法想象的。
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