萬有引力與軌道
牛頓萬有引力定律
這是整個科學裡最重要的觀念之一:任何有質量的物體,都會吸引其他有質量的物體。地球拉著蘋果,所以蘋果會掉下來;但蘋果其實也在拉地球(只是太微弱、我們感覺不到),而地球拉著月球,太陽拉著每一顆行星。牛頓最驚人的主張是:讓蘋果掉落的那條規則,和讓月球繞著我們轉的規則,其實一模一樣。這就是為什麼叫「萬有」——天上與地上共用同一條定律。
精確地說,兩物體之間的重力是吸引力,方向沿著連接兩者中心的直線,大小為 F = G m1 m2 / r^2。其中 m1 與 m2 是兩個質量,r 是兩中心之間的距離,G 是重力常數(一個固定的數,決定整體的強弱)。用白話讀這個式子:只要任一個質量變大,吸引力就變大;而距離拉遠時吸引力衰減得很快,是隨距離的平方遞減。
一個常讓人搞混的地方:根據牛頓第三運動定律,地球拉蘋果的力,和蘋果拉地球的力大小完全相等。兩者等大、反向,即使質量差異懸殊也一樣。蘋果加速度很大是因為它輕;地球幾乎不動是因為它太巨大。牛頓的定律對日常生活與太空航行都極為準確,只有在極強的重力場或極高速度下,才輪到愛因斯坦的廣義相對論接手。
兩顆各 1 公斤的球,相距 1 公尺,彼此的吸引力約為 G x 1 x 1 / 1^2 = 6.7 x 10^-11 N,大概只有一顆細菌的重量那麼小。這就是為什麼我們感覺不到日常物體之間的吸引力,但地球龐大的質量卻讓重力如此明顯。
小物體之間確實有重力,只是極其微弱;要靠行星等級的質量,重力才會變得可觀。
無論兩個質量差多少,它們感受到的力都等大反向(牛頓第三定律);只是較輕的那個加速度較大而已。
又称
另见