第三章 月亮会不会掉下来
现在我们来探讨一个有趣的问题——月亮会不会掉下来。首先看下面的图6，左侧的小山丘上有一门大炮，CA是它的水平瞄准直线，在它的对面有一堵墙。按理说，由于CA是它的瞄准线，所以这门大炮发射的炮弹很有可能会打到A点，但是当我们将炮弹发射出去之后，它并没有沿着CA前进，而是走出了一条曲线CBD，即炮弹最后打到了D点——一个比A点略低一点的地方。这一偏差出现的原因并不在炮手身上，他的技术也许和你们一样好，但他就是无法将炮弹打到炮口正对的地方。所以，他要是想打中A点，就必须对准得更高些。
图6
为什么炮弹不是沿着瞄准线前进的呢？为什么炮弹打到的点总是比瞄准的地方低呢？答案非常简单：虽然刚将炮弹发射出来的时候它是沿水平方向运动的，但是它一旦离开炮口，就会因为受到地球向下拉的作用力而减速，继而开始下落，直到完全静止。这就对它的路线为什么会是CBD这样一条处在CA下方的曲线做出了解释。如果炮弹从射出炮口到打到墙上一共用了3秒钟，我们就可以根据上一章的那张表算出一个自由下落的物体在3秒内走过的距离是44.l米。现在我们来量一下A点与D点之间的距离，会发现也是44.1米。如果炮弹从C点到D点一共用了2秒，那么A点与D点之间的距离就是19.6米；如果只用了1秒的话，那么A点与D点之间的距离就是4.9米。因此，我们可以得出下面的结论：不管是对于运动的物体来说，还是对于静止的物体来说，地球的引力都是一样的。
在此，我们要关注这样一个十分重要的事实，那就是物体能够围绕一个固定的点做圆周运动的原因。
在很多乡村，到了丰收的季节都会用骡子打谷。人们会将槽轮安置在圆形打谷场的中间，槽轮的中心处站着一个手拿缰绳的人，缰绳的另一端系在骡子身上。当槽轮开始转动时，这个人就得控制缰绳让骡子绕着圆圈跑，人们采取的方式一般是用声音来吆喝，必要时也有可能会用长鞭鞭打。等到骡子由于不习惯绕着圈子跑而出现眩晕的情况时，就蒙上它的眼睛，这样一来，它就不知道自己是在绕着圈子跑了。骡子之所以会绕着圈子跑，就是因为有缰绳对它进行牵制，让它无法偏离圆形轨道。如果把缰绳松开，会出现什么情况呢？松开缰绳，骡子就感觉不到拉着它、控制着它的方向的东西了，所以它就会自然而然地向前跑，而不是继续走曲线了。
在一根绳子的一端系上一块石头，然后拿住绳子的另一端让石头快速绕圈旋转起来。这时，让这块石头绕着圆圈转的是什么呢？非常明显，就是这根绳子。我们知道，如果此时绳子断了，或者将石头绑住的结松开了，那么石头就会直直地飞出去，这与投石器的使用原理是一样的。我们可以从这两个例子中看出：要是没有外界的支持，一个物体是不可能依靠自身进行圆周运动的，必须有一个物体将它拉向中心；如果对它的运行轨道予以控制的力突然减弱或者消失，那么这个物体就会偏离运行轨道直接向前飞出去。
月球绕着地球运动与系在绳子上的石头做圆周运动具有相同的原理，而月球进行圆周运动走过的路线就叫月球的运行轨道。在图7中，我们将地球表示为T这个圆形，将月球的运行轨道表示为围着它的大圆圈。如果在运行过程中月球必须经过L点，在它到达L点时，中心的力就会立刻将它拉回来，让它接着前进。这个情况与从炮弹口里发射出来的炮弹一样，要是不存在这个中心力，月球就会沿着LA线，即我们在前面提到的瞄准线运动。想象一下，如果地球上方有一面墙与球面垂直，在图中我们将其表示为TA，那么月球将会到达B点，而不会到达A点，也就是说月球在运行过程中会走曲线LB，而不会走LA，即月球所走的路线与从炮口射出的炮弹所走的路线相同。
图7
在地球引力的作用下，月球从L点出发到达TA时，A点与B点之间的距离就是它所走过的垂直距离。如果在月球到达B点时，地球引力的作用突然消失，那么月球将会从原来的运行轨道中脱离出来，直接向前冲出去，就如同用投石器扔出的石头一般。如果这个能够维持月球运行轨道的力的作用消失了的话，月球就会沿直线向前运动，最后与虚构出来的TC这面墙相交于C点。不过，我们都知道，地球引力的作用是不会消失的，所以图中的BD曲线才是月球的运行轨道，也就是说月球会到达D点，而C点与D点之间的距离就是它下落的直线距离。因此，尽管月球是在不断地下落，但是它并不会进行直线运动，从而离地球越来越远，而是会绕着地球进行圆周运动。所以，我在前面说的月球一直在下落是对的，正是因为它在不断地下落，所以它与地球之间才能保持恒定的距离。
由于存在地球引力的作用，所以月球能够一直在自己的运行轨道运动，每当月球试图脱离这个轨道时，地球引力就会适时地将它拉回来；同样也是因为地球引力的存在，才会使得物体往下落。地球引力对于月球的作用和缰绳对于打谷场上的骡子的作用以及绳子对于小石头的作用是一样的。地球引力使月球的运行轨道发生了改变，迫使月球一直在向着地球运动，地球引力还使炮弹的运行轨迹发生了改变，使得炮弹最后打在低于瞄准点的地方。但是骡子能不断地绕圈子是因为有缰绳的拉力，小石子能持续绕圆圈是因为有人的拉力，而火药的爆炸则成为炮弹的作用力。
不管离得有多远，地球引力都能对它周围所有的物体发挥作用。但是，并非只有地球有引力，其他天体也能够产生引力。比如，月球也会产生吸引其他天体按照一定的轨道运行的引力，它能用此吸引这些天体下落。月球引力可以延伸到很远的天际，无论有多远，对于我们居住的地球来说，它的影响都十分明显。所以，如同月球不断地落向地球一般，地球也在不断地落向月球。在这种相互吸引的情况下，力量更强大的一方肯定会获胜，并使力量小的一方偏离自己的轨道，按照另一种轨道运行。
如果两个人拉住同一条绳子的两端，并都为把对手拽到自己这边来而用尽全力，力气比较大的那个人肯定会赢。对于两个天体来说，也是更强大的一方会取得胜利，或者说是质量比较大的一方会赢。地球的体积约是月球的50倍，它产生的引力势必大于月球产生的引力，所以，对它来说，更容易将月球吸引到自己这边来，并会迫使月球向着地球中心的方向下落。也就是说，月球在地球引力和自身重力的双重作用下，不断绕着地球转。如果月球的体积比地球的大，那么它们之间的关系就会完全相反，我们的地球将成为月球的“月球”，也就是月球的卫星，从而绕着月球转。那么在某个地方是不是还存在着比地球大的天体，这一天体产生的引力能够改变地球的运行轨道，并使得地球围绕着它转呢？确实有一个如此强大的天体，那就是太阳。
毫不夸张地说，在我们看来比车轮还小的会发光的太阳实际上是个巨大的球体。非常巨大的地球到了太阳面前，也根本算不上什么。而我们之所以感觉太阳非常小，只是因为它离我们实在太远了。事实上，每个博学的精通计算的天文学家都可以告诉你地球与太阳之间的距离，那至少有14959万千米。你肯定对这个数字没有什么概念，而且在下一秒就会将它忘记，所以我们要解释一下这个数字。你肯定经常看到在轨道上快速行驶的火车，那我们就假设火车的速度是60千米每小时，如果火车的速度一直保持不变，那么它想从法国的一端走到另一端就只需一天的时间，但它要是想从地球走到太阳，就得花上289年的时间。也许现在最好最快的火车可以完成这样一段旅程，不过跟其他旅程相比，它看上去慢得可能就像蜗牛一样吧。
科学家告诉我们，太阳的体积相当于地球体积的130万倍。这究竟有多大呢？要想对此做出解释，我们需要更多的数字。现在我们假设太阳的中心与地球的中心重合了，那么在这种情况下，太阳就会像鲨鱼吃小鱼一样，将整个地球吞噬，并向太空延伸出去，它能延伸到的地方比月球与地球之间的距离大得多。
可能你还是不太明白太阳究竟有多大，那让我们用另外一种方式进行比较。如果想将体积为1升的物体填满，我们需要1万粒大小相同的小麦，如果是体积为10升的物体，我们就需要10万粒小麦，体积为130升的话，就需要130万粒小麦。现在想象一下，我们把这130万粒小麦堆到一起，然后在它的旁边放上一粒小麦。这130万粒小麦代表的就是太阳，而那粒被单独放在旁边的小麦代表的则是地球。这样一来，你对太阳的大小是不是有了一个比较清楚的概念了呢？你可能会发出惊叹：人类与那些巨大的物体比起来，到底是有多渺小啊！
现在不需要再多说什么，你就会发现地球所产生的引力与这么一个巨大的天体相比，根本算不上什么了。所以，这时的地球就会遵循强者定律，向着太阳下落。不过由于地球本身具有向前的冲力，最终在太阳引力和自身冲力的共同作用下，地球就变为绕着太阳进行圆周运动了。就这样，地球变成了太阳的卫星。这时，地球绕着太阳转，月球就绕着地球转，彼此之间互不干扰。地球绕着太阳旋转一周要用一年的时间，在此期间，月球绕着地球转了12圈。
你们在一开始提出的那个问题：为什么在没有任何支撑的情况下地球也不会往下掉呢？现在可以进行回答了吧。因为有地球引力的存在，所以物体才会往下掉。如果地球的周围没有任何天体，在没有受到任何外力作用的情况下，它不会掉向任何一个地方。因此，地球就会保持静止，要是在开始时就给它一个速度，那么它就会一直向前走。但是实际上，地球由于受到太阳引力的作用，运动方向发生了改变，不停地绕着太阳转，就像被缰绳控制的骡子一样。也是在这个力的作用下，地球才被发射到太空中，并在那里悬浮着，始终与太阳保持一定的距离。