万有引力的发现与误解：重力在太空中的作用

我们对牛顿与苹果的故事一定很熟悉了：坐在苹果树下，一个苹果掉落在牛顿的头上，他由此“发现”了引力。这是为数不多的几个浪漫故事与真实历史事件大概吻合的情况之一。

根据当时考古学家威廉·斯蒂克利亲自与牛顿交谈的证词，他饭后在苹果树的树荫下喝茶，看到一个苹果落下。苹果并没有落在他身上，但是离得很近。

鉴于这个故事发生的时间距今已经超过300年，以及口耳相传会多少造成事实扭曲的因素，我们今天听到的版本已经算是与实际情况相当接近了。

牛顿看到苹果从树上落下，于是开始思考为什么物体总是倾向于垂直向地面下落。更重要的是，他想知道这种使苹果下落的无形力量是否在任何高度都存在，如果是在高空中又会怎样？

完成数学建模后（牛顿发明了微积分，从而开启了新的数学分支），牛顿给这种力量取名为gravitas，在拉丁语中是“沉重”的意思。实际上，这种力也在影响着天体的运行，亦是月球坠向地球的原因。

“什么？！”

嗯？哦不！不好意思！别慌！事实上月球正以每年4厘米的速度远离地球，我想说的是，月球一直绕地球运动，但是不会落在地球表面。

“到底是什么意思，您这个解释让我更困惑了。”

好吧，我们接下来一点点地讲解。

牛顿所发明的数学模型推断出了诸如伽利略在内的前人没能计算出的运动定律。其中第一条解释物体运动的法则：在没有外力作用下，一切物体都保持静止或匀速直线运动状态。

也就是说，一个做匀速直线运动的物体，在不受任何外力的情况下，将一直保持这个状态。

然而，重力是一种垂直于地面的作用力，这意味着它影响物体运动的方式与其他外力不同。每个物体受到的重力影响在其整个运行轨迹上是恒定的，亦取决于物体与重力场原点的距离，因此，重力会使物体的运行轨迹弯曲。

举一个更加具体的例子：想象一下您和朋友在游乐场的场景，您手中攥着一根绳子的末端，并把另一端系在朋友的腰上。接着让他沿着某个方向不停地向前跑。嗯，他很可能对这个实验并不感兴趣，这时您可以试着和他打个赌。

他一直向前奔跑，当距离您足够远时绳子会收紧。您用更大的力使其无法再继续向前，这个时候他的运行轨迹就会开始偏离原来的方向，而后在您的周围做圆周运动。如果他停止奔跑或减速，拉力就会将他吸引到离您更近的地方。若是他的力气也很大，或他奔跑得足够快，那么在绳子断裂之前您就会发生偏转，并以弯曲的轨迹离他越来越近，而这位朋友会一直向前奔跑，直至撞墙。

从广义上讲，上述运动中的物体受到的拉力就类似于引力的作用：石头、子弹、球……我们在地球表面扔出的任何物体都会因重力的影响而偏转运行轨迹，在速度不够快的情况下，最终会落到地上。

“难道我扔出一块石头，如果它的速度足够快，就可以永远不掉落么？”(www.xing528.com)

如果您的肌肉能够迸发出如火箭一般的推力且大气层消失的话，当然是可以的。

当我们水平射击时，子弹并不会在出膛后直接落到地上，似乎是沿着水平直线的路径行进。但是如果用手直接抛出一枚子弹，就会看到它很快偏向地面，做抛物线运动。其中的区别就在于，射击时打出的子弹速度非常快。

口径为9毫米的手枪可以给子弹加速至300米/秒，略低于声速。大型步枪可以900米/秒的速度推进子弹，这是声速的两倍多。也就是说，子弹在接触地面前也在做抛物线运动，只是由于运行距离过长，在短程内无法观察到抛物线的曲率。

综上所述，物体运行速度越快，其运动的抛物线轨迹就越长，相应的曲率也就越小。

“等一下！地球是圆形的，有没有可能物体被抛出后，其运行轨迹的曲率与地球曲率平行呢？”

您说到点子上了。如果一个物体被抛出时的速度足够快，且其运行轨迹的曲率与地球曲率平行的话，就永远不会坠落到地面。

当然了，这种情况是不可能在地球表面发生的。能够在海平面的轨道上运行的物体其速度必须达到7.9千米/秒，相当于声速的23倍。而且在这种情况下，空气的阻力会使其慢慢减速，因而为了保持速度的稳定，还需要大量补充能量物体才能不落到海面。

这就是卫星要在大气层外绕地球运动，而不是和我们处在同一空间的原因：宇宙中没有空气阻力，这使得任何物体，只需在最初给它一个推力，就能够无限地运动下去。

既然说到了卫星，我想就此解释一下好莱坞电影中关于太空旅行的两大误解。

（1）将运载火箭送入太空轨道，并不只是将其向上方发射，启动发动机后，让重力完成剩下的工作这样简单。一旦脱离大气层，就没有任何力量可以让卫星自动偏转至近地轨道。要想将地球上的物体放入近地轨道，使其做圆周运动，就要让其运动速度所代表的动能恰好等于其在轨道上时本身的重力势能，其速度的具体数值为7.8千米/秒。实际情况是，运载火箭通常在速度为9.3~10千米/秒内进入轨道。

根据卫星在地球不同轨道的高度，其保持环绕所需的速度各有不同。在比较靠近地面的位置，如在距离我们400千米的国际空间站（ISS），卫星需要以更大的速度行进，因为它们会受到更大的引力影响。在更远处轨道的卫星由于受到的重力影响较小，则不需要达到这个速度。

例如，国际空间站以7.66千米/秒的速度绕地球运转，而2万千米以外的全球定位系统卫星只需要以3.88千米/秒的速度运转即可。

（2）另一个普遍错误的认知是，认为宇航员在太空中飘浮，是因为完全没有引力的作用。

在距离地表400千米处的国际空间站中，宇航员们所受到的重力几乎与我们相同。不同之处在于，他们永远处于下落状态，但不会触碰到任何表面。换言之，人们在空间站中所体验到的除了感受不到引力外，还是一种持续自由下落的状态。