在其他行星上計算質量的方式與地球相同,使用的是 W = m × g 這個公式,其中 m 是物體的質量,g 是該行星的重力加速度,W 則是計算出的重量。質量代表物體所含物質的多寡,不會因物體移動到不同世界而改變,因此同一個物體在火星上的原子組成與在地球上完全相同。會改變的是重力大小,所以同一個秤在地球上讀到熟悉數值時,在較小或較大的行星上所承受的下壓力會不同。NASA 將這個關係描述為 W = mg,無論是水星、木星或海王星,這個等式都不需要修改就能套用。若要把地球秤上的讀數換算成火星或木星上的數值,只要把地球讀數乘以目的地行星表面重力與地球參考值 9.80 m/s² 的比值即可。得到的結果是一個等效秤上讀數,對於科學課、太空營,或是想爭論在土星上會覺得多重的問題都很實用。其他行星的體重計算機會一次為全部八顆行星套用這個乘法,使用的是 NASA/JPL 公布的各行星重力值。

質量 vs. 重量:關鍵差異
在物理課堂上,質量與重量並非可以互換的詞彙。質量是物體所含物質的多寡,在 SI 系統中以公斤為單位,無論物體到哪裡都不會改變。重量則是一種力,等於質量乘以當地的重力加速度,以牛頓為單位。標示公斤的浴室體重計其實並不是直接測量質量;它測量的是作用在秤面上的力,再利用地球重力反推質量。把同一台秤搬到火星,彈簧壓縮量會變小,因為重力較弱,所以推算出來的公斤數值會下降,即便被秤的物質本身並沒有改變。
正是這個差異讓「計算其他行星上的質量」這句話變得有點微妙。你無法直接讀出另一個質量值,因為測量結果本身就包含了當地重力的影響。比較可靠的做法是把質量視為不變的常數,再分別報告在每顆行星重力下的等效秤上讀數。標示公斤的秤其實應該視為一個力的讀取裝置,所以計算機輸出的公斤數值是熟悉的等效秤上讀數,並不是主張質量本身跑掉了。若想用課堂範例更完整地走過同樣的概念,請參考 如何計算不同行星上的質量和重量。
跨行星讀數背後的公式
從地球秤上的讀數換算到另一顆行星的讀數,只需要一次乘法。若 E 為地球上的數值,P 為目的地行星上的數值,則關係式為:
P = E × (gp / ge)
其中 ge 為地球赤道表面重力(9.80 m/s²),gp 為目的地行星的赤道表面重力。gp / ge 是一個無單位的比值,這也是為什麼同一組數字無論用磅、公斤、牛頓,或任何讀者自訂的標籤顯示都不需要重新計算。
JPL 行星物理參數表提供了計算機所使用的重力 g 數值,而 NASA Space Place則用一般大眾可理解的方式說明同樣的概念。這種「依據問題不同而以不同方式表達同一個物理量」的思路,也出現在 如何使用 E = mc² 將能量轉換為質量的入門介紹中,裡面把質量視為常數,能量則是導出的數值。
3 步驟計算其他行星上的質量
開啟「其他行星的體重計算機」並依照下列三個步驟操作。
- 輸入一個在地球上量測的正數秤上讀數。使用家用體重計會顯示的同一個數字,例如 70(代表 70 公斤),並挑選一個與其相符的單位標籤。
- 選擇顯示標籤,然後選取「比較行星體重」。標籤可以是磅、公斤、牛頓,或自訂名稱,按下按鈕後就會執行比較。
- 讀取每顆行星的赤道重力與等效數值,記得質量保持不變,這些數字只是教學上的近似值。地球那一列應該剛好等於輸入值,水星和木星那幾列會重現 NASA 常用的基準點,其他六列則補完整個表格。
所有運算都在目前的瀏覽器分頁中完成。更動輸入會清除先前的表格,因此不會把舊的比較結果誤認為新的。
NASA/JPL 八大行星的重力數值
計算機使用以下這些公布的赤道表面重力值,原始資料來自 JPL 行星物理參數表。在每次計算中,這些數字都會驅動比較因子 gp / 9.80。
| 行星 | 赤道重力 (m/s²) |
|---|---|
| 水星 | 3.70 |
| 金星 | 8.87 |
| 地球 | 9.80 |
| 火星 | 3.71 |
| 木星 | 24.79 |
| 土星 | 10.44 |
| 天王星 | 8.87 |
| 海王星 | 11.15 |
地球的 9.80 m/s² 是這個比值所使用的參考值,因此在計算機輸出中,地球那一列永遠等於輸入值。火星和水星的重力最小,這也是為什麼太空人在這兩個世界的模擬訓練中能夠跳得更高的原因。木星的 24.79 m/s² 是八大行星中最高的,這也是為什麼地球讀數到了這顆巨行星上會變成大約兩倍半。
實作範例:地球 100 換算到火星
為了讓公式更具體,假設地球秤上的讀數為 100,要換算為火星上的讀數。只需一個計算步驟:
P = 100 × (3.71 / 9.80) = 100 × 0.3786 = 37.9
因此地球上的 100 單位讀數,到了火星上會變成大約 37.9,單位不變。同一個輸入若放到木星,則為 100 × (24.79 / 9.80) = 253,符合 NASA 長期以來對氣態巨行星所使用的教育用基準。這兩個端點——表格中重力最弱的火星與最強的木星——是計算機輸出在設計上就預備要重現的快速合理性檢核。同時把這兩個端點對齊,也是計算機本身測試集的一部分,此外還要求八顆行星的名稱都要各自唯一出現。
計算機沒有涵蓋的部分
這個工具僅涵蓋 IAU 所認可的八顆行星,範圍刻意維持精簡。了解它未包含的內容,有助於避免誤用其輸出結果。
- 月球、冥王星、矮行星、小行星、恆星以及系外行星皆未包含在內。
- 它不會計算任意質量和半徑所產生的引力、脫離速度,或在軌道上的重量。
- 它不會模擬大氣浮力、生物效應,或任何與健康、健身、劑量相關的情境。
- 氣態巨行星和冰質巨行星沒有可供人類站立固體表面;表中所列重力對應的是定義出來的赤道參考面,並不是一個真的可以放秤的地方。
- 任何真實位置的有效重力會隨緯度、高度、自轉和當地地質而變動,因此赤道值只是一個代表性數字,並非通用值。
若要進行任務規劃,則需要針對該天體的重力模型、高度修正、參考橢球體和不確定度預算。在課堂上,只要註明出處,使用赤道值進行比較是合適的,而 JPL 表是這類引用時的標準來源。
使用前快速檢核結果
在引用表格中的數字之前,幾個快速的檢查能抓出大多數錯誤。地球那一列必須等於輸入的讀數;若不相等,代表輸入沒有套用成功。水星和木星那幾列應該要重現 NASA 常用的基準點,大約是地球讀數的 0.38 倍和大約 2.53 倍,這與計算機本身的測試案例一致。
因為比值是無單位的,所以同一個數字結果在任何選定的標籤下都應該看起來正確,包括自訂標籤。原始數值經過四捨五入,因此在輸出端加更多小數位會暗示一種原始表格實際上並不具備的精度。計算機刻意只四捨五入到實用的小數位數,正是基於這個理由。
更動輸入會清除先前的表格,因此新的比較結果不會與殘留的舊結果混淆。所有運算都在目前的瀏覽器分頁中完成,輸入的讀數不會儲存在伺服器上,這在學生共用裝置的課堂情境中尤其重要。