第三部分「太空中真的是無重力嗎？萬有引力貫穿宇宙空間」
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理解了人類渺小不足以察覺地球自轉、並討論了證明地球自轉的直接實驗證據後，我們來討論一個稍為離題的問題：為何太空裡「好像沒有重力」呢？這概念大概是被科幻電影、小說等大眾文化所灌輸的吧！在這一節，我希望直接指出這是個錯得非常離譜的概念。
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首先，我們必須討論一下物理學裡的重力概念。關於「物件為何會往下掉落」這個問題，早於古希臘時期已經有過很多理論，其中最著名的莫過於前兩部分裡介紹的「對宇宙之間的物質作二分法」的例子：天上物質會環繞地球轉動、地上物質會向地球中心墜落。這個理論並沒有解釋為什麼宇宙裡會有兩種不同特性的物質，也沒有解釋到底是什麼力量驅使天上物質的圓周運動以及地上物質的下墜傾向。
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直至哥白尼（Nicolaus Copernicus）過世的1543年，他出版了《天體運行論》（On the Revolutions of the Heavenly Spheres）重新提倡日心說，即亞里斯塔克斯提出日心說的差不多1,800年後。不過，哥白尼的日心說其實並不比托勒密（Claudius Ptolemy）在公元2世紀出版的《至大論》（Almagest）裡描述的地心說更準確。
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事實上，兩者解釋天文數據的能力相當，複雜程度亦相差不遠。這是因為哥白尼的日心模型依然認為天體環繞太陽的軌道必然為正圓形，所以他仍必須使用一大堆複雜的、假想出來的數學規則，才能以與地心模型相同的準確程度去描述天體運行的觀測數據。
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即使到了17世紀初，科學界仍未普遍接受日心說。不過進步是有的。繼承第谷（Tycho Brahe）成為丹麥皇家天文學家的克卜勒（Johannes Kepler）發表了他的三大行星運動定律、發現行星軌道形狀是楕圓形。
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然而，克卜勒第一定律指出，太陽應該位於行星的楕圓形軌道的兩個焦點的其中之一，但這並不正確。事實上，行星並非環繞太陽運動，而是環繞整個太陽系的質心（centre of mass）運動。所以嚴格來說，地心說和日心說都不正確。而且克卜勒亦沒有到解釋行星環繞太陽運行背後的原因。
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「天上的物質vs.地上的物質」這二分法，最後被牛頓（Isaac Newton）所推翻。他提出的萬有引力定律（引力也可稱為重力），不單指出了所有物質之間都會相互吸引，更解釋了這種吸引力的來源就是物件的質量。因此，不論是地上的或天上的物質，所有擁有質量的東西都會互相吸引。
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把牛頓的萬有引力定律和運動定律結合，就會自然地得出克卜勒行星運動定律。因此，牛頓不單發現了重力的解釋，更一舉統一了宇宙間的物理學。「最基本的大自然定律應該是全宇宙適用的」更成為了現代科學研究的一個重要指標。
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跟據萬有引力定律，兩個物體之間的重力與兩者質量的乘積成正比，並與兩者質心之間的距離的平方成反比。換言之，質量越大，重力越強；相隔距離越遠，則重力越小。重要的是重力只會在無限遠時歸零。
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因此，在太空中，尤其是在距離地球很近的太空站或太空船軌道，地球施加在物體身上的重力根本不是零。再者，如果太空中沒有重力，那麼太陽如何吸引八大行星繞其運動？地球又怎能吸引月球環繞我們轉動？所以「太空中無重力」是對力學非常離譜的誤解。
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萬有引力（即重力）從地球、太陽、月球，以及所有天體表面貫穿宇宙空間，因此可說重力在宇宙中無處不在。可是回到最初的問題，為何太空人在太空船、太空站又會漂浮著，就好像沒有重力的樣子？
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牛頓在1687年出版了《自然哲學的數學原理》（Mathematical Principles of Natural Philosophy），裡面描述了一個思想實驗：想像有一個能夠以任何力度發射炮彈的炮台。如果力度很小，那麼炮彈會以拋物線在不遠處落在地面上。如果加強力度，炮彈就能夠飛得遠一些。因此把發射力度逐漸加強，炮彈就能飛得越來越遠才落在地面上。
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我們也知道地球表面是彎曲的，因此如果炮台發射炮彈的力度很強，那麼發射出去的炮彈就會飛越一段很長的距離才下降少許。然而，因為地球表面是彎曲的，炮彈下降同時地面亦會向下彎曲。所以，如果發射力度足夠大的話，炮彈的下降率就能夠「追上」地面下降率，結果就是炮彈永遠不會碰到地面（假設忽略空氣阻力），環繞地球一圈後從炮台後方擊中自己。
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[思想實驗（Gedankenexperiment）指只在腦海中進行的實驗，並不一定有在現實中進行過。當然，思想實驗並不是真的實驗，並不能夠用來作為科學理論的證據。不過很多物理學家都愛用思想實驗去幫助他們跟據已知物理定律想像未知的結果。有時候，透過改變思想實驗的參數而得出不同的想像結果，能使我們對物理概念有更深入的了解。]
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正在環繞地球運行的人造衛星、太空望遠鏡、國際太空站，以及地球的天然衛星月球，都是上述那顆炮彈。他們其實一直都在萬有引力的控制之下，不斷地「跌落」地球，只是由於速率非常快，所以就永遠跌不到落地面、只能環繞地球運行了。
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國際太空站連同裡面的太空人都正在以同一速率前進和「下跌」，因此就看似在太空站中「漂浮」起來了。順帶一提，飛機突然關掉引擎作自由落體，裡面的人也會看似「漂浮」起來，太空人就是這樣訓練如何在太空中「無重力」狀態下工作的。
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因此，太空中根本就不是「無重力（weightless）」。萬有引力貫穿整個宇宙空間，太空人會「漂浮」只不過是「無重力感（weightlessness）」罷了，是錯覺來的。有些電影會有剛飛出大氣層的太空船裡面的人突然漂浮起來的場景，但這完全是大錯特錯。
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德國物理學家夫琅和費（Joseph von Fraunhofer）在1814年使用棱鏡和望遠鏡觀察太陽光譜（注意：這是非常危險的實驗，會對眼睛造成永久損害！），發現太陽大氣的吸收光譜線。經過分析，部分譜線與在地球上找到的元素的光譜線吻合，直接證明天上的物質與地上的物質皆由同樣的元素構成。
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牛頓第三運動定律例子 在 Re: [問題] 關於牛頓第3定律in electrodynamic - 看板Physics 的推薦與評價
問題是在電磁學裡你什麼時候會用到牛頓第三運動定律？
電磁學裡你會常常說你給電磁場一個力，電磁場給你一個反作用力嗎？
通常都是用Maxwell's eq. 和Lorentz force來描述物質和電磁場的交互作用吧
再不然就是直接用動量守恆的關係式
你硬守著一個幾乎沒有用的定律有什麼意義嗎？
而且以我的認知，通常我們應該都覺得動量守恆比牛三更有意義
只要保有動量守恆，我不知道放棄牛三到底有哪裏不好
你舉的導線磁力的例子很有趣，我的確沒想過這個問題
不過我倒是覺得這個例子只是更加說明了在電磁學中用牛三來描述問題的麻煩之處
我想我還是寧可直接放棄牛三
※ 引述《mgtsai ()》之銘言：
: ※ 引述《mantour (朱子)》之銘言：
: : 但是這樣你就要把電磁場當作受力體
: : 而一般人根本沒有在用這樣的定義
: : 而且要考慮電磁場的動量，直接用動量守恆就好了
: : 我覺得這樣的觀念根本不實用
: : 一般的牛頓第三定律，指的就是針對一般的 施力體--受力體的模式
: 說實話，如果只考量施力體--受力體的這種模式
: 而不把中間的場納入系統中，還是無法形成夠完整的圖像
: 一般會說，在電磁場下第三定律不成立，是因為電磁場波動有時間延遲的效應
: 但若在靜電或靜磁場下則第三定律就會成立
: 例如，相等靜止的兩塊磁鐵A、B，周遭空間的磁場是靜磁場
: 磁鐵A對磁鐵B的作用力，與磁鐵B對磁鐵A的反作用力
: 剛剛好大小相等方向相反，符合第三定律
: 若因兩磁鐵之間的受力關係是靠磁場交互作用，這樣就得要拋棄第三定律
: 那未免有點因噎廢食食了點
: 不過表面上看起來，在靜電場或靜磁場下，第三定律是成立的
: 但若仔細分析，其實整件事並非完全無條件的成立
: 這只要使用高中學過的 畢歐沙伐定律 (Biot-Savart law)，即可解釋
: p.s. 我不曉得現在的高中物理會不會教畢歐沙伐定律，
: 但在我那個年代，畢歐沙伐定律是在高中就學到的
: 考慮兩條通電流的長直導線A、B，彼此不相交奕不平行 (歪斜線)
: 從兩條導線中，各取一小段微小導線 dL1 與 dL2
: 因於 dL1 上通有電流，所以可以依 Biot-Savart law
: 計算出於 dL2 處，電流通過 dL1 上所貢獻的磁場為何
: 而又因 dL2 亦通有電流，所以，dL2 會因 dL1 所貢獻的磁場而受力
: 此力，即是 dL1 對 dL2 所施于的作用力 F12
: 依同樣的方式，亦可算出 dL2 對 dL1 所施于的作用力 F21 為何
: 表面上看起來，F12 與 F21 好像是大小相等方向相反
: 但仔細計算，卻發現完全不是這麼一回事
: (請各位自行動筆計算，只是三個向量之間的外積計算而已)
: 換句話說，即使在這個以高中物理就可以解釋的例子下
: 牛頓第三定律又失效了
: 雖然 dL1 與 dL2 之間的受力關係不符第三定律
: 但如果考量一整條導線，神奇的事又發生了
: 若考處 dL1 與 導線B 之間的受力，發現，會遵守第三定律
: 而且，不限定導線B一定要是長直導線
: 任何形成封閉迴路的導線，與 dL1 之間的受力關係，必定遵守第三定律
: p.s. 長直導線某種層次而言被視為封閉迴路，這可以利用複變的手法去處理
: 長直導線的兩端於無窮遠處連接
: 同樣地，導線A 與 dL2 之間的受力關係，亦遵守第三定律
: 同樣地，導線A 與 導線B 之間的受力關係，亦遵守第三定律
: 這裡顯示一件很神奇的事
: 就是，若把封閉迴路的導線，切成一小段一小段 (例如把導線 B 切成一堆 dL2)
: 這樣會破壞第三定律
: 但把這一大堆微小導線的施力/受力值積分起來，第三定律又起死回生了
: * * * * * * * * * *
: 即使以 "施力體" 與 "受力體" 來處理第三定律
: dL1 與 dL2 這兩者，就是很標準的 "施力體" 與 "受力體"
: 而且，空間所佈滿的是靜磁場，但結果是，dL1 與 dL2 卻不滿足第三定律
: 但我們又不能說，只要因為有電磁場存在，就把整個第三定律拋棄掉
: 不然，兩塊磁鐵之間的受力關係，不會因為中間充滿磁場，而不符合第三定律
: 問題來了，那在靜磁場之下，牛頓第三定律到底成不成立？
: 回答成立又不太對，因為 dL1 與 dL2 的受力關係並不滿足第三定律
: 回答不成立又不太對，因為兩塊磁鐵的受力關係明明就符合第三定律
: 會有這樣子的尷尬情況，就是因為只有考慮 "施力體" 與 "受力體"
: 而刻意忽略掉電磁場在這整件事所扮演的重要媒介
: 只要將電磁場納入整個系統之中，問題反而可以單純化：
: 就是牛頓第三運動定律必定成立
: : 你這樣說當然也沒錯
: : 不過我想原po已經很不懂了
: : 請不要讓他再更頭痛了
: : 因此我主張以下說法：
: : 在電磁學中
: : 要把場的動量算進來，動量才會守恆
: : 因此只考慮施力體和受力體的話，牛頓第三運動定律不成立
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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 140.112.213.158
※ 編輯: mantour 來自: 140.112.213.158 (05/17 20:43)
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