普遍存在的万有引力

与“能量”“理论”这两个词一样，“力量”也是一个人们经常使用的词语，并且其日常含义与科学含义不同。“力量”的科学含义并没有超能力战士的意思，但是，不久你们就会发现研究力学的“科学战士”已探索出了一个奇妙的现实世界。

作用力的研究可以加深我们对物质与能量的理解。在学习了第3课和第4课之后，我们对物质和能量的了解已经有了基础。

科学家研究力学的一种方法就是观察物体的移动方式。只要物体（物质）改变了其运动方式，就肯定会有力对之产生作用。运动方式的变化包括物体停止运动、开始运动、改变方向、加速或减速。

我们知道，苹果之所以会从树上落下，肯定是因为力产生作用的结果。接住苹果的人会感受到下落物体的作用力。而为了接住物体，我们则必须对它施加一个防止继续下落的力。

人类自从在地球上出现的那一刻起，就不断地发现有诸如水果或树叶这样的物体从高处落下。第一位发现木星周围存在卫星的科学家伽利略，也是第一位科学测量出引起物体下落作用力大小的科学家。他测量出了球沿斜坡滚动的速度，以及羽毛或其他物体从塔顶下落时的速度。

同时，伽利略还与其他科学家一起研究了行星和卫星在太阳系中的运行。他们甚至还推导出了复杂的数学公式，用来预测任意时间内任一行星的位置以及行星运行的精确轨道。

牛顿真可谓一位天才。物体下落时，一般人就只注意到了其表面现象，而牛顿却发现了物体与宇宙相互作用的最重要的方式。因此，牛顿发现了万有引力，并认为物体间通过万有引力相互吸引。现在，大家经常使用且耳熟能详的“万有引力”，就是牛顿首先发现并赋予其现代科学含义的。

某天，牛顿和约达站在一颗苹果树下谈论万有引力。传说，在月亮升起的时候，牛顿忽然看见一个苹果从树上落下，因此，牛顿意识到引起苹果从树上落下的力与吸引月亮围绕地球运行的力是一样的。地球和苹果之间相互吸引，是因为它们都具有质量。（这里，我们简单地把质量看作物体的重量。）由于地球的质量比苹果大得多，因此我们看到的是苹果被地球吸引，落向地面。

牛顿认为月球与地球之间也存在着相互吸引。月球始终围绕地球运行，是因为地球对月亮一直都施加着指向自身的作用力。同样，当你晃动系有一根细线的小球时，因为线对小球有拉力作用，小球也会始终保持绕圈运动。对于绕轨道运行的卫星或者行星而言，万有引力是一种内在的吸引力。

为了证明同样的万有引力也作用于地球和天空，牛顿开创了新的数学领域来精确计算物体之间吸引力的大小（这一新的数学领域就是微积分学。在牛顿去世后的三百多年里，许多工程师和科学家仍在科学研究中使用到这一学科），并解释了这种吸引力引起物体运动的作用方式。牛顿建立的数学模型精确地描述了卫星与行星的运行方式，以及诸如苹果或球这样的物体自由下落的过程。

经过多年的研究，著名的牛顿万有引力定律和牛顿运动定律诞生了。由牛顿数学方程可知，物体之间万有引力的大小取决于物体的质量以及两者之间的距离。物体越重，相互吸引的万有引力就越大；物体间距离越远，万有引力就越小。

牛顿认为这一科学理论也同样适用于地球以及宇宙中的一切物体。以前，人们曾认为天体所遵循的物理定律与地球上的物体不同，现在我们知道科学理论在整个宇宙中都是通用的。

因此，如果我们研究从宇宙无限远处传来的X射线，得出其产生方式，那么这种方式也可同样应用于地球上X射线的产生。同样，氢气在地球上表现出什么状态，它在太阳或其他星球上于同等条件下也会表现出同样的属性，而不论那些星球距离我们有多远。

牛顿是一位非常著名的科学家，他的理论向我们解释了万有引力以及万物运动所遵循的法则。但是，他对这种力如何作用于物体仍感到困惑。如果两个物体相隔很远，那么它们之间就不会有实际的接触。例如，抛掷苹果时，是我的动作使得苹果发生了运动，那么，在地球没有与苹果或月球发生接触的情况下，地球又是如何影响它们运动的呢？

牛顿告诉约达，这种“远处的作用力”让万有引力变得和约达的“超能力”一样神奇。在下一部分，我们将继续研究另一种作用力，这种作用力同样具有穿越空间影响物体运动方式的神奇能力。