引力与轨道

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基本数据

引力是一切有质量的物体之间的吸引。你吸引着地球，地球也吸引着你；只是地球的质量大得多，所以动的是你。同样的力塑造了恒星，把星系维系在一起，并引导着航天器的航向。

1687年，艾萨克·牛顿用一条简单的规则描述了它：两个物体之间的引力随它们的质量增大而增强，随它们之间距离的平方减弱。距离加倍，引力就降到四分之一。后来爱因斯坦的广义相对论完善了这一图景，把引力描述为时空的弯曲，但工程师规划大多数任务时用的仍是牛顿的规则。

早在牛顿之前几十年，约翰内斯·开普勒研究了对火星的精细观测，发现行星运动有三条规律。

第一，轨道是椭圆，即略微拉长的圆，太阳位于其中一个焦点上，而不是中心。大多数行星轨道只是稍稍拉长，所以看起来几乎是圆的。

第二，行星离太阳越近运动越快，离得越远运动越慢。太阳与行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积。地球在1月初运动最快，在7月初最慢。

第三，越远的行星绕一圈所需的时间长得多。公转周期的平方与平均距离的立方成正比。木星与太阳的距离约为地球的五倍，绕一圈需要将近12年。牛顿后来证明，这三条定律都可以从他的引力定律推导出来。

从某种意义上说，它确实在掉。月球一直在朝地球下落，但它同时以约每小时3680千米的速度横向运动。它下落的同时，地球弯曲的表面也在它下方远离，所以它永远不会靠得更近。这种永不停止的“下落却总是错过”就是轨道。

牛顿曾设想在一座极高的山上架一门大炮。慢速的炮弹落在附近，更快的落得更远。如果发射得足够快，地面弯曲远离的速度就和炮弹下落的速度一样快，于是它就绕着行星转圈。国际空间站正是这样以约每小时2.8万千米的速度运行的，宇航员会飘浮，是因为他们与空间站一起在下落，而不是因为没有引力。

如果你把东西扔得更快，它的轨道就会变得更大、更扁长。达到某个速度，也就是逃逸速度时，它就再也不会回来。在地球表面，不计空气阻力的话，这个速度约为每小时4万千米，即每秒约11.2千米。

逃逸速度取决于天体的质量和大小。在月球上只有约每小时8500千米；在木星上约为每小时21.4万千米。火箭不需要一次性达到逃逸速度，它们可以逐步爬升，但所需的总能量是一样的。

当两个大天体相互环绕运行时，比如太阳和地球，有五个特殊位置可以让小物体相对两者保持位置不变。这些就是拉格朗日点，以18世纪数学家约瑟夫-路易·拉格朗日的名字命名。

L2点位于距地球约150万千米、背向太阳的一侧。放在那里的物体本来绕太阳运行得比地球慢，但地球和太阳的合力恰好让它加速到能与我们同步。詹姆斯·韦布空间望远镜沿一条大环绕L2点运行。从那里看，太阳、地球和月球大致在同一方向，所以一面遮阳罩就能挡住它们的热量，让望远镜保持极低的温度。

位于地球和太阳之间的L1点驻有SOHO等太阳观测台。L1、L2和L3是不稳定的，所以那里的航天器需要小幅推进来保持位置。L4和L5是稳定的，木星的这两个点附近聚集着小行星。

你可以用自己的眼睛观察轨道运动。连续几个晚上追踪月球相对恒星的位置；它每小时向东移动大约一个自身的宽度。你还可以在日落后或黎明前几小时，寻找国际空间站以一个明亮、稳定的光点划过天空；美国航天局的Spot the Station服务会列出你所在地的过境时间。

在几周的时间里，你可以追踪木星或火星等亮行星在背景恒星间缓缓移动，有时还会暂时反向运动。这种视觉上的“打圈”之所以出现，是因为在内侧轨道上跑得更快的地球超过了那颗行星。