說起地球與宇宙天體之間的關係，就不能不說到牛頓，而說到牛頓，就很容易說起他在蘋果樹下見到蘋果往下掉時所產生的問題：“蘋果為什麼往下掉？”
現在這個問題已經不是什麼難題，答案也很簡單：“因為有地心引力。”
但是，牛頓當年提出這個問題時，答案就不是這麼顯而易見了。最普遍和可能的回答是什麼？你也許猜得到，這就是“因為蘋果有重量”。
“有重量就會往下掉嗎？”
這樣，“蘋果為什麼往下掉”的問題就變成了“有重量為什麼會往下掉？”
牛頓得證明這個答案。
當然，牛頓做到了。正是他發現了著名的“萬有引力定律”，才揭開了牛頓物理體係的帷幕，探查到宇宙天體運行的奧秘。
1.2.1 萬有引力
萬有引力，又稱重力相互作用，是由於物體具有質量而在物體之間產生的一種相互作用。它的大小與物體的質量，以及兩個物體之間的距離有關。其大小與兩物體間距離的平方成反比，與兩物體質量的乘積成正比。任何兩個物體之間都存在這種吸引作用。
萬有引力的標準表述是：任意兩個質點通過連心線方向上的力相互吸引，該引力的大小與它們的質量乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學本質或物理狀態及中介物質無關。
萬有引力不隻是讓蘋果往下掉，它還維持宇宙天體的正常運行。牛頓當年也是在思考天體運行的問題時，才最終找到答案的。
萬有引力定律是牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書中首先提出的。牛頓利用萬有引力定律不僅說明了行星運動規律，而且還指出木星、土星的衛星圍繞行星也有同樣的運動規律。他認為月球除了受到地球的引力外，還受到太陽的引力，從而解釋了月球運動中早已發現的二均差、出差等。另外，他還解釋了彗星的運動軌道和地球上的潮汐現象。萬有引力定律出現後，科學家們才正式把天體運動的研究建立在力學理論的基礎上，從而創立了天體力學。
F為萬有引力；M1和M2為兩個質點的質量；G為萬有引力常數；R為兩個質點的距離。
回到蘋果往下掉的問題上來。可以簡單地說，質量越大的東西產生的引力越大，這個力與兩個物體的質量成正比，與兩個物體間的距離平方成反比。地球的質量產生的引力足夠把地球上所有有一定質量的東西全部抓牢。讓它們向自己身上（地麵）靠過來，所以無論是蘋果，還是其他重物，隻要失去支撐（如樹枝）或動力（如飛行中的飛機發動機），就會掉在地麵上。
牛頓最重要的著作《自然哲學的數學原理》雖然早在1687年就已經出版，但直到1931年才有中文譯本出版，這就是商務印書館出版的《自然哲學之數學原理》。
牛頓所完成的萬有引力定律，經過科學實踐的檢驗得到了普遍承認。著名物理學家周培源把這一檢驗過程歸結為3點：第一，萬有引力理論應能解釋舊理論所能解釋的一切現象；第二，新理論還應能解釋已經發現的但卻是舊理論所不能解釋的現象；第三，也是最關鍵的一點，它還應能預言一些新現象，並且能為爾後的實驗或觀測所證實。
在這些考驗中，第一個就是關於地球的形狀。在運用萬有引力定律解釋歲差現象時，牛頓指出每一行星由於自身的旋轉運動，赤道部分應該隆起，星體應為兩極扁平的球體。當時有人在赤道附近的卡因島上觀察到的擺鍾變慢的現象，被牛頓看作赤道處引力場變小，即地球是個扁球體的證據。因此，赤道隆起部分將更接近太陽和月亮，兩極的部位則相對遠離太陽和月亮，兩個部位受到的引力作用不同，這就使太陽和月亮的引力攝動作用不通過地球中心，導致地球的軸做一種緩慢的圓錐運動，造成了二分點的歲差現象，牛頓近似地估算出地球的扁率為1/230.18世紀30年代，當牛頓的學說傳到法國，立即遭到巴黎天文台台長卡西尼（1677—1756）等人的激烈反對，他們根據笛卡兒的旋渦假說和錯誤的緯度長度的測量，認為地球是兩極凸出的長橢球體。
為了得到更準確的大地測量結果，法國科學院於1735和1736年先後派出兩個測量遠征隊，分赴赤道地區的秘魯和高緯度的拉普蘭德，在兩地的經度圈上測量等角的一段弧長。測量結果基本上證實了牛頓的結論。拉普蘭德隊的領隊莫泊丟和成員克雷洛後來都成為牛頓學說的支持者。
第二個考驗來自哈雷彗星。在牛頓之前，彗星被看作一種神秘的現象，牛頓卻斷言，行星的運動規律同樣適用於彗星。哈雷根據牛頓的引力理論，對1682年出現的大彗星（即後來命名的哈雷彗星）的軌道運動進行了計算，指出它就是1531年、1607年已出現過的同一顆彗星，並預言它將在1758年再次出現。1743年克雷洛計算了遙遠的行星（木星和土星）對這顆彗星的攝動作用，指出它將推遲於1759年4月經過近日點。這個預言果然得到了證實。