釋放任何物體都會讓這個物體 往下掉落 ，不管是一個鉛球或是一根羽毛，失去支撐後都會掉向地面。從太空中來看， 地球 看起來就 像始終漂浮在太陽系中 一樣，地球品質足有 60萬億億噸 ，為什麽卻能夠一直保持 「懸浮」狀態 呢？其實這個問題並不復雜，但許多被我們看作常識的現象，其中的道理往往被我們忽視， 我們或許應該擁有更加旺盛的好奇心 。
Tips:愛因史坦曾說，沒有特別的天才，只有強烈的好奇心。永遠保持好奇心的人是永遠進步的人。
地球品質是如何確定的？
根據教科書的知識，地球品質 大約是 60萬億億噸 ，當我們不可能用普通的秤對地球的重量進行稱量時，這個數位是如何確定的呢？
首先我們需要清楚重量和品質的區別， 品質是一個物體固有的內容 ，放在任何環境下其值都是不變的。比方說，一個物體在 地球 上用台秤稱的重量是 6千克 ，那這個物體放到 月球 上用台秤去稱就只有 1千克重 了。當然如果換做用托盤天枰來稱重，得出的結果則依舊是6千克，因為 法碼的重量和這個物體的重量同時都變為原來的六分之一 了。因此 重量是受到重力大小的影響的 。
Tips:即使存在一個巨型的秤，我們也無法稱出地球的品質。
因此牛頓認為，想要求一個天體的品質還是得靠 重力 。但在當時，公式中的 萬有重力常數 還沒有被牛頓推算出來，因此無法算出地球品質。好在此時人們已經大概估計出了地球的 半徑和體積 ，因此牛頓設計了一個實驗，認為只要估算出地球的 平均密度 就可以估算出地球的 品質 。
但由於牛頓提出的實驗操作起來非常困難，便沒有進行嘗試。1778年，英國皇家天文學家耐維爾·馬斯基林帶領重力委員會，透過對牛頓提出的實驗進行了兩年的實踐和兩年的數據計算，得出地球平均密度約為 4500千克每立方米 ，與現在掌握的 5515千克每立方米 的 誤差較大 。
十八世紀，英國物理學家卡文迪許透過 扭秤實驗 ，測量了相互吸引的 金屬球體之間的力 ，得出地球的平均密度是 5448千克每立方米 ，與目前的測量值相比誤差在 1% 左右。透過這項數據算出了地球的平均品質，也求出了 重力常數 。
Tips: 透過扭秤實驗，庫侖發現兩點電荷之間靜電力與距離平方成反比的規律；卡文迪許驗證了牛頓的萬有重力定律的正確性，並測出了重力常量。
地球是飄在宇宙中的嗎？
事實上，地球一直在往「下」掉。這也是一件好事，因為這使地球 不會在自身的高速運動下飛出太陽系 。重力是由品質引起的，所以品質大的物體，如行星和恒星，會產生強大的重力。由於太陽的巨大重力，地球和地球上的一切都在不斷地向太陽下落。這不是一個比喻，在太陽的巨大重力下，地球確實在向太陽墜落。
那麽為什麽地球沒有撞上太陽呢？因為地球有很大的 側向速度 ，由於這種側向的速度，雖然地球不斷向太陽墜落但都錯過了太陽，也就是 圍繞著太陽沿軌域運動 。這麽說可能會讓你感感到腦袋暈乎乎的，地球為什麽會 沿著軌域做圓周運動 呢？
Tips:圓周運動是指在物理學中，質點的運動軌跡為圓或圓的一部份的一種運動。
牛頓有一個巧妙的方法來解釋軌域的性質。假設在地球表面上有一門大炮，它徑直向前發射炮彈，當炮彈向前飛馳時地球 的重力不斷拉著它 ，直到墜落到地面。由於炮彈發射時大炮給予它的動力讓它有一個向前的 初速度 ，因此炮彈不會在發射後立馬落地，而是 被向前帶了一段距離 。
現在再次發射炮彈，這一次的前進速度更高，炮彈 最終仍下落並最終撞擊地球 ，但由於它有 更高的前進速度 ，球在撞擊地球之前經過了 更遠的距離 。如果你把球射得足夠快，它仍然會下降，但永遠不會擊中地球，當速度達到一個 臨界值 ，炮彈 墜落的弧形軌跡與地球的球體弧度變的一致 時，最終將 繞著地球轉 。這正是 衛星 所做的，要讓一個物體繞地球執行，你只需給它 足夠的側向速度 ，使它 在下落時錯過地球 。
Tips:臨界值是指物體從一種物理狀態轉變到另外一種物理狀態時，某一物理量所要滿足的條件
地球墜向哪裏？
牛頓從數學的角度，證明萬有重力定律 同樣適用於天體 ，由此我們可以用它來 預測月球的運動 。
牛頓的萬有重力定律表示， 地球作用在一個物體上的力，應該和它離地球中心的距離的平方成反比 。根據牛頓第二定律，力會產生加速度。像蘋果這樣的物體，在離地球中心一個地球半徑的距離上，被觀察到以每秒9.8公尺的速度 向下加速運動 。
Tips:在地球表面，從兩極到赤道，重力加速度變小，緯度減小，重力加速度減小，所以重力變小。
月球離地球中心有60個地球半徑的距離 ，如果重力以及由重力產生的加速度隨著距離的平方而變小，那麽月球所產生的加速度應該比蘋果小得多。應該是1/60的平方倍，即1/3600倍，大約 每秒0.00272公尺 ，這正是觀察到的 月球在其軌域上的加速度 。
牛頓定律還意味著， 重力永遠不會變成0 。它隨著距離的增加而 迅速變弱 ，但無論你走多遠，它都會在某種程度上繼續發揮作用。 太陽的重力在水星比在冥王星更強 ，但在冥王星 以外的地方 仍能 產生作用 ，天文學家有很好的證據表明，它不斷地使大量較小的冰體在巨大的軌域上移動。
Tips:重力是品質的一個體現，只要宇宙中存在著品質，它們就會透過重力交互作用，品質越大，吸重力就越大。
當我們在電視上看到太空人和物體漂浮在宇宙飛船上的影像時，為什麽飛船上的太空人似乎沒有重力對其產生作用呢？畢竟，飛船上的太空人距離地球表面只有 幾百公裏 ，與地球的大小相比，這並不是一個非常遠的距離，因此，這個距離，重力肯定不會有很大的減弱。太空人感到 「失重」 ，原因與電梯裏電纜斷裂或飛機上發動機不再工作的乘客感到失重一樣：他們正在 「向下墜落」 。
當墜落時，他們處於 自由落體狀態 ，並以與周圍一切同時加速，包括他們的飛船或他們正在拍攝地球的相機。產生這樣的運動時，太空人 沒有感受到任何額外的力量 ，因此感到 「失重」。然而，與墜落的電梯中的乘客不同，太空人是 圍繞著地球墜落 ，而 不是向地球墜落 ；因此，他們將持續不停地墜落，或者說是在 圍繞地球的「軌域」上運動 。
Tips:以圍繞著做圓周運動的中心天體為「下方」，真實的宇宙是沒有方位概念的。
宇宙中如何分辨方位
東南西北是與地球有關的方向， 由地球的磁場決定 ，而太空中缺少行星的指引，我們如何分辨地球大氣層以外的方向呢？要回答這個問題首先要認識到，方向的存在僅僅是為了讓我們在生活中在所處的空間裏導航時更加方便，你可以將所有的方位術語的定義顛倒過來，比如把「北」定義為南，這對我們不會有任何負面影響，更不會讓科學中的規律和定理產生任何改變。
Tips:「方向」是完全由人類為了方便而發明的，沒有真正的科學意義。
根據迄今為止的研究和測試， 宇宙沒有向任何特定方向旋轉或拉伸 。眺望夜空，我們看不到宇宙的盡頭，行星 圍繞太陽系中的恒星執行，恒星組成不同的星系，而大量的星系又形成了巨大的星系團。但宇宙學家認為這並不是盡頭：如果我們看足夠大的尺度就會發現， 宇宙實際上是一體的 。
Tips:星系團是由星系組成的自重力束縛體系，通常尺度在數百萬秒差距，包含了數百到數千個星系。
絕大多數關於宇宙的計算都是從這個假設開始的：無論你的位置和方向如何， 宇宙都是大致相同的 。但如果宇宙優先向一個方向伸展，或者以與地球自轉類似的方式繞著一個軸旋轉， 那麽這個基本假設以及所有依賴它的計算都是錯誤的 。
Tips:倫敦大學學院（UCL）和帝國理工學院（IC）的科學家已經透過相當嚴格的測試，發現宇宙在四面八方不一樣的可能性只有121，000分之一。
愛因史坦的廣義相對論
1916年，愛因史坦發表了他的第一個重力理論的結果，這一理論被稱為 廣義相對論 。 從本質上講，廣義相對論是一個重力理論，其基本思想是，重力 不是 吸引物體彼此靠近的 無形力量 ，而是一種 宇宙自身結構發生了扭曲 而造成的影響。
在廣義相對論中，愛因史坦將時間和空間統一成一個整體，並且時間維度也可以發生彎曲。從廣義相對論來看， 蘋果落向地球的原因到底是什麽呢？ 地球由於巨大的品質，使時空變形並賦予它一個 曲率 ，假設我們用網格來標記時空，時空曲率看上去就像是 網格在不斷地收縮 。這個收縮速率一直 保持恒定 ，因為時間曲率取決於地球的品質。當我們無初始速度地釋放一個蘋果，雖然蘋果沒有受力，但 隨著網格的收縮，蘋果看起來就會向地球下墜 。
Tips:曲率是描述幾何體彎曲程度的量，例如曲面偏離平面的程度，或者曲線偏離直線的程度。
我們去掉空間維度更簡單地來看，用二維的的網格來標記蘋果的位置。當蘋果 不受力 時，它從始至終都處於我們釋放時的那個網格位置，但由於地球的品質使 時間維度產生了曲率 ，蘋果所在的網格向地球 發生了彎曲 ，從而 觀測到蘋果向地球下墜 。
假設我們以初始速度從一個天體丟擲一個物體，在不受力的情況下，它會一直 沿著網格的一條直線運動 。由於天體的品質產生的時空曲率 使網格不斷收縮 ，這個物體不斷 向著這個天體的方向拖拽 ，最終 圍繞天體運動 。
結語
回到標題，「向下」墜落中的這個「下」，其實是由人類站在地球上的角度來思考的主觀結果。我們現在終於知道了，地球本身就是在 不斷向下墜落 的，正是由於地球的墜落，才讓它能夠在太陽周圍 以固定的軌域運動 ，而不飛離太陽系。
Tips:對於月球而言，地球就是它墜落的方向；對地球而言，太陽就是它墜落的方向。
