重力的原理
解释形成恒星、让我们“脚踏实地”的神秘力量

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。

卫星轨道的原理

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……

上升的物体……

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。

重力能扭曲时间和空间

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。