万有引力定律讨论两个粒子之间的相互作用,这种粒子模型在许多场合下是行之有效的。然而,也会有许多场合,粒子模型并不是一种好的近似,甚至有一些场合,物体根本不可能被当作粒子看待。最典型也是最常见的情况是,地面上的物体受地球吸引力作用而运动。在这种情况下,尽管所研究的物体可以被当作粒子看待,但是,地球却是一个巨大无比的球体。由此看来,考虑非粒子模型的引力相互作用就显得很重要了。
先考虑一种简单的情况。设想有一个半径为 ,质量为 的均匀球壳,在离开球心 为 处,有一个质量为 的粒子。我们要计算这个均匀球壳对粒子 的吸引力。
首先把球壳分割成无数片无穷小的小薄片,每一小薄片可以被看作一个粒子。考虑其中位于球面上 点附近的一小薄片,根据万有引力定律,这一小薄片对 的吸引力其中粒子 与小薄片 的距离 可以通过分析几何图形得到:于是,小薄片 对 的吸引力就可以表述成:由于对称性,对于球面上任意一点 ,总有关于 连线对称的一点 ,它附近的小薄片对 的吸引力与 对 的吸引力关于 连线对称,使得垂直于该连线的分量相互抵消。因此,任意一小薄片对 的吸引力,只需要考虑沿连线的分量:其中 连线与 连线的夹角满足如下关系:由此得到 对 的吸引力在 连线上的分量:
以 连线与球面的交点 为中心,弧长 为半径,在球面上作一条狭窄的环带,环带的宽度覆盖小薄片 ,对 的张角为 。从图中容易看出,环带的面积假定单位面积球壳的质量 (质量面密度) 为 ,则环带的总质量由于环带上每一小薄片对 的吸引力都具有与 相同的性质,因此,这条环带对 的吸引力就只有沿 连线上的分量,可以借用 的表达式,只需要将 改成 就可以了:
剩下的问题就是一个纯粹的数学问题了:对这条环带沿着整个球面积分,角度 从 开始,积分到 ,就得到整个球面对 的吸引力:为了求出上述积分,先做变量替换 ,将上述等式中的积分改写成如下形式:接着,将被积函数的分子写成一种 “更复杂的” 的形式:这样,被积函数被分解成两个明显容易积分的式子之和:定积分就很容易算出来了:不难算出,如果 在球面的外边, ,方括号内的结果等于 ;如果 在球面的里边, ,方括号内的结果等于 。
于是得到了一个均匀球壳对一个粒子的吸引力:式中 正是均匀球壳的总质量。
结果发现,当 处于球面的里边时,它不受任何引力的作用;当 处于球面的外边时,它受到的引力犹如球面的全部质量集中在球心。从万有引力这个视角上看,球面对它而言就好像一个粒子。