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20世紀60年代，韋恩赫·馮·布勞恩撰寫了一系列關於太空飛行的文章，其中一些文章發表在《科普月刊》上。這些文章收集成書，名為《空間前沿》（第一版，霍爾特，萊因哈特和溫斯頓）。這是一本非常易讀的書，講述了火箭的工作原理，以及在太空中的飛行和安全問題。在其中一篇文章中，馮·布勞恩解釋了為什麼衛星能夠在地球軌道上保持穩定。
他在文章的開始提出，如果我們可以像下面圖中那樣，水平的、更快的速度拋出一個物體，會發生什麼？「最終，」他寫道，「向下彎曲的軌道曲率將與地球的曲率相等。」（這一說法並不完全正確，但與下面的情況相比，這只是一個微小的錯誤。）最重要的一點是，當子彈移動得越來越快時，就會達到遠離地球軌道的速度。再加上向下的方向不斷變化，因此子彈永遠不會靠近地面——它位於地球軌道上。這實際上是引力平方反比定律的一個奇妙的特殊特徵。如果引力不是平方反比，這種情況是不可能發生的。一般來說，軌道是橢圓的。下面的這個圖片最初由艾薩克·牛頓爵士的《公理》（1687年）收錄。
在這之後，馮·布勞恩又提出，當子彈以更快的速度射出時，「它的軌跡將減少偏轉，因為其離心力會因更高的速度而增加，更有效地抵消了地球引力。」在這一點上物理學家很迷惑。離心力？這和衛星運動有什麼關係？
接下來，馮·布勞恩繪製了一張地球軌道衛星的圖片。作用在衛星上的是兩種力：引力，把衛星拉向地球；離心力，把衛星推開。他寫道：「當一個小質量物體通過大物體的引力場時，如果恰好有足夠強的離心力平衡了大物體的引力，就會出現圓形的運轉軌道。」「如果引力和離心力之間的平衡不是完美的，……小物體將遵循橢圓路徑圍繞大物體轉動。」
牛頓會怎麼說呢？他也會畫出作用在衛星上的力，然後採用「力=質量×加速度」公式計算，但首先，他選擇一個「慣性系」，因為他的定律只在慣性系中起作用。慣性系是指我們拋球時，球以恆定的速度（即直線恆速）離開我們。由於這種情況並不都是發生在地球上，所以牛頓選擇的框架是包括地球之外的更全面的框架。這一框架近似於太陽系，太陽處於靜止狀態，地球相當精確地圍繞著它旋轉，一年旋轉一圈。這樣的慣性系與馮·布勞恩提出的模型相似，因為任何非慣性的東西都不能很好地與他提出的地球和衛星框架結合在一起。
在慣性系中，如果衛星真的存在兩個相等但相反的力，就像馮·布勞恩畫的那樣，那麼它的合力將為零。所以衛星不會加速，它會以恆定的速度直線運動。由於軌道衛星沒有直線移動，馮·布勞恩的圖片和他的解釋都不可能是正確的。
什麼都無法支撐月亮！
事實上，沒有什麼東西能支撐月亮。正如牛頓的慣性系分析中預測的那樣，月球完全處於引力的壓力之下。換句話說，月球會墜落，因為在這樣的框架中，月球上只有一種力：引力。引力給月球一個加速度。這並不意味著它的速度必須改變，或者它必須離地球更近（儘管實際上這兩件事在一個月裡都會發生，但這並不是一個重要的問題）。如果牛頓的F=ma公式是在引力作用下的一般情況下求解的，則得到的運動是直線、圓、橢圓、拋物線和雙曲線。在自然界和純數學的對應關係中，這些曲線就是我們取一個錐體，並將它切成任意方向時所產生的曲線。
即使月球的軌道是圓形的，但它的運動方向也會發生變化，這是一種加速度。（加速度是速度的變化，這意味著加速度可以改變物體的速度，或者改變物體運動的方向，或者兩者兼有。）月球和其他所有的衛星，在引力作用下都會像蘋果一樣墜落。蘋果的速度改變但運動方向不變，而月亮的運動方向改變，速度沒有變化。如果月球現在我們上空，那麼45分鐘後它會下降到地球的另一邊。到那時，向下的方向完全顛倒了，月球將再次向地球另一面的人墜落，在我們第一次看到它的90分鐘後返回到我們身邊。當然，它永遠不會撞擊地球，因為它始終存在著橫向運動。月球離地心引力較弱的地方遠得多，因此需要整整兩個星期才能落到地球的另一邊。
那麼，什麼是離心力？
那麼，為什麼提出離心力的概念？
如果我們堅持把非慣性系框架置於牛頓定律下，那麼離心力的發明可以讓我們在非慣性系中進行適當的標記。非慣性系的一個簡單例子：考慮一下公交車剎車時會發生什麼。一開始，每位乘客都向前移動。較重的人感覺到強大的力作用於他們自身，較輕的人只會感覺到一個較小的力。但所有的人都感覺到了同樣的加速度。這是一種虛擬的力，因為它是我們用來解釋為什麼我們突然加速前進的一種力。在街道的慣性系中，這種力是不存在的。真正的力是由地面對公交車輪胎的摩擦提供的一個簡單的力，並通過剎車傳遞給公交車車身。這種力加速了公交車的後退或減速。除非乘客堅持住，否則他們會繼續向前移動，直到公交車內有其他物體將他們止住。
根據我們對參照系的選擇，在分析乘客為何向前移動存在兩種力。
在街道的慣性系中，制動力會推動公交車後退，這是一種在慣性系中產生的真正的力。它只在公交車上工作，所以除非我們堅持，否則我們將繼續以恆定的速度前進。
在公交車剎車的非慣性系中，力作用於我們的身體而不是公交車。它會推動我們前進，其力量與我們的重量成正比。如比我們重兩倍的乘客會感受到兩倍的力，但我們和他們都會感覺到同樣的加速度，這無疑比公交車與街道的參照系複雜得多。如此依賴於質量的力是不合適的，我們可以使用非慣性系。如果我們要求牛頓定律在這樣的參照系內成立，那麼我們將不得不藉助這個虛擬的力。
需要注意的是，雖然汽車剎車時推動我們前進的力通常被認為虛擬的，但對於公交車的乘客來說這個力是真正存在的。從基礎的角度解釋自然的力看似不「自然」，但並不意味著這虛構的力不是「真實的」。如果我們足夠集中精力，這種虛擬力就會消失。「虛擬」一詞僅僅是指，當我們將參照系轉換到慣性時，力就不存在了，因為慣性系在物理學中佔有非常特殊的地位。但是，作為一種量化公交車乘客在剎車時如何傾斜的手段，虛擬力是完全合適的，並且和其他任何一種力一樣真實。它像所有其他的力一樣，囊括在牛頓定律中。
離心力也是這樣的一種虛擬力。當我們分析一個旋轉情境時，由於圓周運動包括加速（可能只是方向改變，不一定是速度改變）。所以旋轉框架也會加速，就像公交車一樣。當公共汽車拐彎時，我們會感覺到離心力。如果我們選擇了更好的參照系（比如慣性的街道參照系），那麼我們就會看到：由於輪胎上的道路摩擦，公交車感覺到了一種力，而乘客根本沒有感覺到任何力量，直到公交車的速度超過乘客的自然恆速運動，才能把乘客甩到公交車的拐角處。但是在非慣性的公交車參照系中，有一種力會對乘客進行側推。
所以離心力是一種虛擬力，用來使牛頓定律適用於旋轉的情境（在這個問題上，科氏力是另一種我們在地球平緩旋轉的情境中引入的虛擬力，可以用來解釋為什麼由於壓差而移動的大氣團會感覺到產生風的力）。如果在慣性系內進行計算，那麼離心力與衛星的運動完全無關。如果我們選擇一個非慣性系，那麼我們肯定需要使用離心力。但是非慣性系對解釋為什麼衛星繞地球運行沒有任何用處。
一個很直觀的例子是地球同步衛星。它們被放置在離地球赤道約36000公裡的軌道上，其高度正好與它們一天內繞地球軌道的高度相當。由於地球在同一周期只旋轉一次，這些衛星總是在其表面的同一點上空盤旋。從慣性系（比如說太陽系）來看，地球同步衛星沒有什麼特別之處。它們只感覺到引力，衛星受到地球的引力會下降，同時又會保持最初火箭對它們施加的橫向運動。但是從站在地球表面的某個人的角度來看，一顆地球同步衛星只是徘徊在一個地方，就好像它在某種程度上克服了引力一樣。記住，旋轉的地球是一個非慣性系，我們需要引用離心力符合牛頓的F=ma公式。因此，我們可以肯定地說，在這個框架中，有一種離心力支撐著衛星。但正因為非慣性系並不合適，所以我們被迫構造出虛擬的離心力。離心力的存在使我們可以在這一非慣性系框架裡進行計算。不過，為了解釋衛星為什麼會靜止，我們需要選擇一個慣性系。在這一框架中，離心力是不存在的，衛星也並非靜止。
引力本身是一種虛擬力嗎？
在前面我提出，當公交車剎車時，我們感覺到的力的強度與我們自身的質量成正比。但是引力呢？它也有一個與我們的質量成正比的力！引力也可能是一種虛擬力嗎？
是的，這正是現在人們對引力的看法。這是愛因斯坦廣義相對論的內容。愛因斯坦推測，也許我們看待事物的方式是錯誤的。牛頓認為衛星的軌道，拋射物的飛行，或蘋果的墜落，都是由引力的神秘作用引起的複雜運動。但是愛因斯坦把這個問題應用到太空，認為在曲線時空的角度來看，衛星、子彈和蘋果都遵循簡單的運動，唯一遵循複雜運動的物體，是站在地球表面的我們。
愛因斯坦在觀點上的改變並不只是一種不同的觀點，這使他能夠做出區別於牛頓理論的不同預測。愛因斯坦的預測在實驗中得到了很好的證實。
所以引力可以被看作是一種虛擬力。但與我們在公共汽車中的日常體驗相比，是一種「高階」的虛擬力。不同於公交車剎車時推動我們前進的非常均勻的力，引力不可能通過簡單的情境變化而完全消失。此外，曲線時空的數學計算比牛頓的F=ma公式更複雜。所以在日常使用中，把引力當作一種真實的力是完全合適的。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3.ucr-董美慧
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