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在艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的所有革命性发现中，最厉害的可能就是解开了万有引力之谜。17世纪60年代，牛顿看到一个苹果落在地上，大胆发问：“这是为什么呢？”为什么苹果不慢慢往上飘？为什么水总是往低处流？为什么月球会保持在围绕地球的轨道上，而不是飞向太空？在牛顿所处的时代，这些都是具有近乎宗教意义的问题。
牛顿没有冥思苦想神谕方面的问题，而是发明出了几个公式。他在1687年发表的论文《原理》（ Principia ）中提出了万有引力定律（law of universal gravitation），即宇宙中的每一个物质粒子都会以一种可测量的力量吸引宇宙中的其他物质粒子，这种力量被称为“引力”（以拉丁文中的重量“gravitas”命名）。引力的大小随物体质量的增大而增大，随物体之间距离的增大而减小。换句话说，物体越重，它产生的引力就越大，而你离物体越近，你们之间的引力就越大。
以下就是牛顿巧妙计算两个物体之间引力 F 的简约公式，其中 m 1 和 m 2 分别代表两个物体的质量， r 是两个物体质量中心之间的距离， G 是通用的万有引力常量。
牛顿万有引力定律最神奇之处在于它适用于万物。尽管可能难以想象，但事实就是，不仅苹果和地球之间存在引力，你和苹果之间也存在引力。实质上，任何两个有质量的物体，无论是巨大无比的宇宙星系还是极其微小的原子，都会对彼此产生引力。
如果真是这样，为什么当一辆大卡车经过时我们不被突然吸向街道，或被吸到摩天大楼的基座上呢？因为以上公式中的“大 G ”实际上极其微小——大约是6.67×10 -11 N·（m/kg） 2 。没错，小数点向左移动11位！因此，除非两个物体的质量乘积极其大，否则二者之间的引力往往难以察觉。
正如牛顿在17世纪提出的理论，每一个物质粒子都会对其他物质粒子产生引力。如果你把大量的物质集中在一个地方，所产生的引力将比松散的粒子大得多。质量是对特定物体所含物质的度量。质量越大，物质拥有的引力就越大。宇宙中的每颗行星、月球、恒星和星系的质量都不同，因此产生了各自不同的引力。地球的质量能让它以9.8m/s 2 （32.2ft/s 2 ）的加速度将一个下落的物体拉向地面。相比之下，太阳的质量是地球的333 000倍。因此，在太阳表面附近坠落的物体将以接近274m/s 2 （899ft/s 2 ）的加速度向下落，这要比我们星球上的物体下落的加速度大28倍！
科学家们利用轨道上的国际空间站，在距离地球表面370km的微重力环境下开展实验。微重力环境下，火焰不会受对流吸引而呈上升状。微重力下稳定、缓慢燃烧的火焰使科学家能够更好地理解地球和地球以外的燃烧过程。
自然界中物体之间的引力往往很微弱，这就是为什么磁铁可以轻易地“秒杀”引力、吸起下方的金属物体。
目前有超过900颗卫星围绕地球运行，可它们是如何在没有任何动力支持的情况下保持在轨道上的呢？在轨道上的卫星不需要动力，因为它们实际上处于受控的自由落体状态中。卫星首先被放置在运载火箭的端部，然后被发射到太空中。火箭必须提供足够的推力以摆脱地球引力。一旦进入太空，卫星就被释放到一个垂直的轨道上。但是，卫星并不会飞离地球，而是“落入”一个由地球引力形成的椭圆形轨道上。
地球就算得上是一个极其大的物体，其质量约为5.97219×10 24 kg。放在宇宙中看地球质量并不大，但相比之下，人体的质量（注意，不是重量）一般接近于70kg。如果把地球的质量作为 m 1 、人体的质量作为 m 2 带入万有引力公式，然后把地球的半径带入 r ，就会得到约686N的力。
这就是你和地球之间的引力——换句话说，你自身的质量通过重力施加的力即是你在地球表面的重量。可是，如果你在巡航高度约为海拔12200m的巨型喷气机上时计算这个量，会比在地面上的重力少整整两个牛顿，因为你的重心和地球重心之间的距离更大了。
根据牛顿第二定律，我们知道，力等于质量乘以加速度（表示为 f = ma ）。利用本书第40页展示的牛顿运动定律，我们可以算出你和地球之间的引力。由于我们知道你和地球的组合质量，从而解出重力加速度（ a = f / m ）。其值是9.8m/s 2 （32.2ft/s 2 ），也被称为“小 g ”。 g 和 G 一样是一个常数，但只对地球表面或接近地球表面的物体而言。这意味着在月球或太阳附近， g 就和9.8无关了。
小 g 很关键，它解释了为什么所有物体的下落速度都相同，即使质量大不相同。举个例子，如果你把一辆宝马轿车和一个保龄球从迪拜的哈利法塔酒店（目前是世界上最高的建筑）顶部推下来，二者会同时落到地面上。羽毛或降落伞等质量小、表面积大的物体是唯一的例外，由于向上的阻力，这类物体会缓慢飘落。不过，在一个没有空气的环境中，例如真空实验室或月球表面，就不会出现这种情况，不管你信不信，羽毛和保龄球都会以完全相同的速度下落。
请注意，重力是两个物体之间的吸引力；也就是说，重力是一个双向的过程。不仅你被686N（约70kg物体的重力）的力吸引到地球上，地球也以同样的力被你吸引。事实上，如果你从树上掉下来，以9.8m/s 2 （32.2ft/s 2 ）的加速度向地球加速，地球也在向你加速。但这好像不可能，对吧？当人们从树上摔下来，地球并不会脱离其运行轨道上向他们靠近。区别在于二者加速度不同。如果 a = f / m ， f 是686N，那么随着质量越来越大，加速度会越来越小。理论上讲，地球也在向你和其他所有坠落的物体加速靠近，但这个加速度是如此之小，且地球的惯性和动量是如此之大，以至于远处根本无法检测到任何摆动。
牛顿的万有引力定律虽然为我们提供了计算宇宙中几乎所有引力和加速度的物理学知识，但并没有解释引力的实质以及引力在原子层面的作用原理。
阿尔伯特·爱因斯坦用他在20世纪初发表的广义相对论回应了这一问题，该理论将重力解释为时空连续体中的一条曲线。爱因斯坦认为，在我们的三维宇宙之外，还有一个第四维的空间和时间。行星等大质量的物体可以像蹦床上的保龄球一样扭曲时空维度。就好比你在蹦床上滚动一颗弹珠，弹珠会由于蹦床面的扭曲而滚向保龄球。行星在围绕太阳等巨大天体的轨道上旋转时也是如此，宇宙光束在经过黑洞时也会发生弯曲。
但即使是爱因斯坦的革命性理论也没有解释引力的产生与原理。究竟是什么让两个物体之间产生这种力量？今天，许多物理学家认为，引力的相互作用由难以测量的无质量粒子产生，这些粒子被称为引力子。也有些科学家认为其与引力波有关，引力波是一种由大质量中子星碰撞或超新星的爆炸产生的几乎无法探测的引力冲击波。
尽管我们的理解还存在局限性，但从17世纪一个苹果从树上掉下来开始，我们渐渐对引导宇宙的神秘力量有了深刻理解。引力，这种使我们的脚牢牢地站在地面上，并随着月亮的远近而决定全球潮汐的力量，似乎是数十亿年前将原始宇宙元素结合在一起、形成第一批恒星和星系的古老力量。如果不是很忙，下次你从高高的树上掉下来时，可以思考一下这个问题……
腾空而起是一个能让人在地球上体验到失重的有趣的办法。图中这辆摩托车的飞行轨迹是一条抛物线——与美国航空航天局（NASA）的飞机为宇航员做好零重力准备而飞行的轨迹相同。
“小 g 的发现意义重大，因为它解释了为什么物体落到地面的速度都相同。”
美国航空航天局正在利用重力探测器B（左上图）测试爱因斯坦的广义相对论。他认为行星等大质量的物体会扭曲空间和时间——正如在这张图片中代表时空的框架所示。更大的质量意味着更多的扭曲和更大的引力。在这张艺术家的概念图中，你可以看到美国航空航天局重力探测器B的超灵敏陀螺仪是如何探测到地球对空间和时间的引力作用，以及由此产生的扭曲。
计算重力加速度，需要知道物体一和物体二的重心之间的距离。但如何计算出其重心呢？对于像地球这样的球体，确定重心很容易。重心是球体的正中心。因此，人体的重心和地球的重心之间的距离近似等于地球半径。对于像苹果或人体这样不规则形状的物体，重心为物体质量均匀分布的中心。实际应用中，可以通过找到物体的平衡点来确定其重心。
牛顿的万有引力定律指出，质量大的物体会产生更大的引力。但力与加速度不是一回事。哪个物体先落地本质上是加速度的问题。做数学计算时你会发现，任何物体无论其质量大小，在地球表面附近都有相同的重力加速度。公式如下：
在地球上羽毛下落较慢只是因为受到了空气阻力的作用。而在像太空这样的完美真空环境中，羽毛和锤子会精准地同时落地。
得益于牛顿的发现，重力成了一种可以度量的力。国际标准的力的单位牛顿（N）就由此而来。地球表面，0.98N大约等于100g的物体的重力大小。同样地，1kg的质量会施加9.8N的竖向力。物理学家使用公式 f = ma （力=质量×加速度）来计算重力。由于地球上的重力加速度（小 g ）是9.8m/s 2 ，我们可以很容易地计算出任何具有一定质量的物体的重力。普通人的质量是70kg，乘以9.8就得到了686N。重力使每个人都稳稳站在地面上。
牛顿发现万有引力，受到了罗伯特·波义耳（Robert Boyle）、西蒙·斯特文（Simon Stevin）和勒内·笛卡尔（René Descartes）等许多科学家的启发。
树林里倒下的树撞击地面时，碰撞的力量使树干、树枝和树叶，还有地面上的泥土、岩石的分子振动。这些振动会以大约1236km/h的速度向四面八方扩展，形成高低气压交替的纵波并进行传播。附近是否有耳膜接收这些声波，并将其送到大脑中解码并不重要。声音等同于振动。
想象一下，以超慢的速度击打鼓面。用鼓槌击鼓，鼓面会瞬间压缩，然后向外反弹。每一次压缩，鼓面周围的空气压力都会减小，而鼓面每一次弹出，空气压力都会增大。当鼓面继续振动时，会发出振荡的压力脉冲，干扰鼓周围的空气分子。高压使空气分子瞬间压缩在一起，低压则将其拉回原处。这就是声波也被称为压缩波的原因。声波在物质中运动，就好比弹簧玩具在楼梯上跳动。
当然，击鼓的时候，鼓面并不是唯一振动的物体。鼓的木质支架和金属部件也在振动，振动的频率略有不同。击鼓的声波不仅会穿过空气分子，而且会穿过所有分子——固体、液体和气体。事实上，声音在固体中的传播速度比在其他任何材料中都更快（比空气快15倍），因为固体中的分子排列得最紧密。鼓的振动也会反弹到房间的墙壁上，几毫秒后以回声的形式返回到听者处。这就会产生初级和次级声波、谐波和声学的复杂交互，即我们所谓的音乐（或者噪声）。
把声波想象成一系列经典正弦波。绘制声波图时， X 轴代表时间， Y 轴代表气压。中心线以上是正气压，以下是负气压。声音的三个特征是响度（音量）、音调（频率）、共鸣，都由其声波形状决定。波峰越高，振幅就越大。振幅是对声音产生的气压（或声压）高低的测量，也就是我们听到的响度大小。振幅以dB（分贝）表示。0dB代表可感知的最小声音，大约是20μPa的声压。正常的对话大约是60dB，而气钻（手提钻）工作时的声音是100dB。最新“声音武器”产生的声波爆炸能达到150dB，超过了耳膜疼痛的阈值。
频率是对每秒钟产生多少声波的衡量。每秒一个波的周期（波峰到波峰或波谷到波谷）等于1 Hz（赫兹）。我们听到的频率差异就是音高。蓝鲸可以产生低至10Hz的极低频率音高，可以在海洋中传播数千千米。低频比高频声音传播得更远，所以邻居的孩子还在三个街区之外时，你就能听到他的低音砰砰作响。一个正常的女声可以达到1100Hz，任何高于人类听力阈值（20000Hz）的声音都被归为超声波。蝙蝠和海豚在超声波范围内进行回声定位，人类采用超声波设备进行医疗和工业成像。
声波在不同的材料中以不同的速度传播。一般来说，声波在铁等坚硬致密的材料中传播速度最快，在空气中传播速度最慢。这是因为声波通过暂时干扰分子而传播。一个分子撞击其相邻分子，以此类推，直到声波强度渐渐消散。分子以高能键紧密排列时，如铁原子，它们相互碰撞的频率会高于水或空气，因为水或空气中的分子更为分散。
喷气式飞机在空中飞行时，发动机噪声以音速向外延伸，就像石头被扔进池塘时会产生涟漪。
喷气式飞机速度接近1200km/h的时候，这个速度超过了发动机噪声从飞机上向外传播的速度，导致声波的累积和压缩。
当喷气式飞机的运动速度超过其所产生的声音传播速度时，就突破了“音障”。其结果是，地面上的人会听到紧紧压缩的声波的尾流，而非飞行员听到的音爆。
有趣的是，频率可以提升振幅。比方说，一个音叉的自然频率是261.63Hz（中C）。无须敲击，你可以唱一个中C，就能让它振动。所有材料都有一个共振频率，可以通过一个共鸣的音来促使其振动。一个以完美音高唱出的唱音可以将水晶玻璃的振幅提升到很高的水平，甚至能让水晶玻璃碎裂。
绘制声波图时， X 轴代表时间， Y 轴代表正负气压。声波的正高度决定了声音的振幅或响度。该图表示安静环境下的声波，振幅很低。
声波的波峰越高，正气压越大，振幅越大，声音越大。声音是一种振动（空气压力的振荡），所以每一个正的脉冲都有一个对应的负脉冲。
声音的音高，即我们所感知到的高（高音）或低（低音），是由声波的频率决定的。频率衡量每秒有多少个完整的声波周期（波峰到波峰）。每个周期等于一个赫兹。这种长波的频率很低，能产生深沉的低音。
女声或长笛等高音乐器产生的声波频率更高。声波振荡得越快，音高就越高。人耳可以感知到高达20000Hz的声音，或每秒20000次的振荡。狗可以听到高达60000Hz的声音。
在与玻璃完全相同的频率下产生的噪声会引起玻璃振动。
如果在共振频率下保持音符几秒钟，振动将变得越来越强烈，甚至能将玻璃震碎。
每个物体都以自己的自然频率进行振动。拨动吉他的低E弦时，可以听到其振动频率，我们称之为音乐。启动汽车引擎时，汽车的金属框架会振动，产生一种独特的声音。这种自然频率由物体的大小、密度、弹性和材料组成共同决定，也被称为共振频率。有趣的是，你可以通过匹配一个声波的共振频率来提高其振幅或强度。我们称之为“交感”共振，这就是歌剧演员用声音震碎水晶酒杯的原理，即通过精准地以水晶共振频率唱歌，水晶酒杯的振幅越来越大，直到破碎。
你正站在路边看着汽车飞驰而过。一辆汽车接近时，其发动机噪声的音高似乎越来越高，但当它经过你身旁时，音高突然下降，并继续变低。这与路过的救护车的警报声机理类似。为了理解这种现象的原因，可以把从汽车上发出的声波想象成池塘表面泛起的涟漪。如果汽车处于静止状态，声波会以均匀的频率向各个方向传播。但汽车向你逐渐靠近时，声波的频率会越来越高，使人觉得发动机噪声的音高在上升。相反，汽车经过你身旁然后驶离时，每个声波到达你所在位置的时间越来越长，有效降低了频率，从而降低了音高。
声波会在汽车前面聚集，传播速度更快，使声波更短，声音更高。
声波在汽车经过时散开，导致音高下降。
狮子的吼声是所有大型猫科动物中最响亮的，周围数千米内都能听到。
多普勒雷达可以探测到风切变，飞机起飞和降落时遇到风切变会非常危险。
激光唱片的表面
这些微小的凹陷创造了代表声音记录的数字代码。
凹陷之间的空间被称为平稳段。这些刻痕能与凹陷被反射在光盘上的激光一起读取。
小蹄蝠
人类的发声范围
蓝鲸的歌声
这种微型蝙蝠（翼展仅有200nm）回声定位的频率是自然界中最高的频率之一，达到了超声波的频率范围。而人耳的最高可听频率大约是20000Hz。
这个区间代表了男性和女性的一般组合发声范围，但人类唱出的高音世界纪录是钢琴上的高音C，达到了4186Hz，而且是一名男性创造的纪录！
与其说该频率范围的声音是歌曲，不如说是呻吟。这些超低的发声不仅极其低沉（人耳只能感知20Hz以上的声音），而且还异常响亮，在距离1米处的测量读数高达188dB。
Hz-赫兹：每秒1次波的振荡。
kHz-千赫兹：每秒1000次波的振荡。
MHz-兆赫兹：每秒1000 000次波的振荡。
如果你录下长笛演奏的旋律，会得到一个模拟声波，即一个精准的音乐图形复制。为在CD或MP3上播放出该录音，需要使用模拟数字转换器，该软件每秒读取数万个录音样本（音频CD为44100/s，DVD音频高达192000/s），并为每个样本分配一个值。把这些值绘制成图后，最终你会得到一个几乎一样的数字版本模拟声波。数字信息可以用二进制代码表示，所以很容易将这些代码编辑到CD或MP3音频文件上。当播放音乐时，数模转换器将代码转换为电脉冲，振动扬声器或耳机的振膜会完整无误地再现原始声波。
把自己说话的声音录下来，可以绘制出连续振荡的声波来表示频率和振幅的变化，即我们听到的音高和响度。
软件可以在同一录音中每秒读取数万个样本，并给每个样本赋予一个值。将这些数值绘制成图像，就可以得到近似的原始声波。
从0到65536的全部数值都被转换成二进制代码，即构成所有计算机处理器基本语言的0和1的数字串。
为将二进制代码数据印在CD上，强大的激光器会蚀刻出“凹陷”（125nm深），并在其间留下名为“平稳段”的空间。这些微小刻痕类似于唱片机指针上凹凸不平的轨道。
凹坑成为CD唱片背面的“凸点”。安装在CD播放机中的激光器将“1”和“0”解码成电脉冲，在放大器的作用下，振动扬声器或耳机播放原始声波。