小脈脈

萬有引力

在幾個世紀以前，牛頓首先發現了萬有引力，他認為引力是普遍存在的，在天上所有的天體之間都存在，並且也正是引力維繫了天體的運行，牛頓甚至給出了萬有引力的計算公式，然而他卻沒有給出引力是如何產生這個根本性的問題的答案。

（牛頓與行星軌道）

成功的牛頓萬有引力理論

但是沒能解釋引力的根源並不妨礙牛頓引力理論的巨大成功。最早是牛頓的好朋友物理學家哈雷運用牛頓理論計算出了哈雷彗星的公轉週期，併成功預言了哈雷彗星迴歸的時間；

（哈雷與哈雷彗星）

最後是奧本·勒維耶和約翰·柯西·亞當斯運用牛頓理論分別獨立計算出了太陽系第八大行星——海王星的軌道和位置，1846年9月23日，天文學家約翰·格弗裡恩·加勒通過計算出來的位置順利找到了海王星！實際觀測到的位置與勒維耶的計算結果只有不到1°的誤差。因此海王星被譽為“筆尖下的行星”它是唯一一顆完全用紙筆算出來的太陽系行星。

(海王星與它的發現者)

牛頓萬有引力理論的失敗

雖然牛頓理論擁有如此顯赫的戰績和成功，但很快人們發現一個問題。勒維耶計算發現水星近日點進動的觀察者與牛頓理論的計算值存在差異，據他計算，排除歲差、已知行星引力攝動等已知因素後，理論計算與實際觀測依然存在每一百年約38"的誤差（後來這個誤差值被修正為每一百年進動43.11"），勒維耶以此認為水星軌道內可能還存在一顆未知行星。但天文學家一直無法觀測到這顆行星，最終排除了這個可能，而牛頓理論出現無法解釋的誤差則成為了“事實”，真是成也勒維耶，敗也勒維耶。

(水星近日點進動)

新理論誕生

直到上世紀初，腦回路清奇的愛因斯坦對統治物理界數百年的牛頓萬有引力理論發起了挑戰，他通過嚴密推理指出，引力可能根本不存在，它只是時空彎曲的一種表現！憑藉等效原理和廣義相對性原理，愛因斯坦於1916年提出了全新的引力理論——廣義相對論。

在給出廣義相對論的引力場方程以後，愛因斯坦第一時間通過弱場近似方法求解引力場方程，並給出了廣義相對論下計算的水星近日點進動與牛頓理論的誤差值為43.03，與實際觀測值非常接近。雖然愛因斯坦只是用近似的方法求解，但已經足夠證明廣義相對論比牛頓理論更為精確，而到目前為止，科學家還沒找到比愛因斯坦的廣義相對論更為精確的引力理論，因此我們可以暫且以廣義相對論作為正確理論來解釋引力來源問題。

(彎曲時空下的水星近日點進動)

引力的本質——時空彎曲

美國物理學家惠勒曾以一句話描述這個偉大的引力理論：時空告訴物質如何運動;物質告訴時空如何彎曲。

這句話指出，在廣義相對論裡，所謂的引力就是時空的彎曲形變產生的效果，彎曲的時空改變了物質的運動狀態，正如引力改變物質運動狀態一般；而另一方面，時空的彎曲是由物質（能量動量）的分佈造成的。

(在彎曲時空中運動的天體)

未解的謎題

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雖然廣義相對論成功解釋了引力的本源，然而它對一個根本性的問題卻沒有任何解釋，就是物質是如何導致時空彎曲的？這問題也許要留到新的統一理論來加以解釋，也許永遠都得不到解釋……有一個類人擇原理的解釋就是：因為它就是這樣。

星宇飄零2099

引力，四大基本力之一，也是唯一一個和其它三種基本力無法統一的力。

引力的完整研究最早始於牛頓。據說牛頓式因為坐在蘋果樹下思考，被一個蘋果砸到頭，於是乎靈光一閃，想到了萬有引力這個概念。之後，僅僅圍繞這個思路，牛頓經過大量的數據測量和天文學觀察，發現了萬有引力這個創世紀的定律。在牛頓的時代，大家並不知道引力是如何來的，只知道引力的公式如下：

F=GM1*M2/R^2

即物體的引力，和物體的質量以及物體的距離的平方的倒數呈正比。牛頓時代，能夠得到萬有引力已經十分不易，我們也不必對其嚴苛要求，非要找出引力因何而來。直到愛因斯坦橫空出世，以迅雷不及掩耳之勢相繼提出狹義相對論和廣義相對論，人們才真正意義上破解引力來源之謎：

即引力是空間的幾何彎曲而產生，本身可以說並非是一種“力”，而是一種空間扭曲的幾何效應而已。就像是一個處於海綿上的小球，可以把海綿壓的凹陷下去。而小球周圍由於海綿凹陷，再放置其它東西，就會有落向小球的傾向。這就是萬有引力的一個簡單解釋，當然，更為深刻和複雜的解釋，我們就的看廣義相對論的場方程了。

由於引力是空間的幾何效應產生，所以廣義相對論還預言了一種特殊的空間波，即引力波。這種引力波是空間的聯繫壓縮伸展產生的一種波動，十分神奇。在牛頓時代，人們根本無法想象空間竟然可以發生擾動，這簡直是顛覆認知的。

不過，宇宙就是這麼神奇，我們人類就如螻蟻一般，在一個彈丸之地生存，天天為了房子車子而奔波著。

科學探秘頻道

其實從牛頓那個時候起，到現在關於引力一共有3種說法。

牛頓：超距作用

牛頓認為引力是超距作用，如何理解呢？就是說，如果太陽沒了，在那一瞬間地球就會被甩出去。也就是說，萬有引力是瞬間實現的，具體是為什麼，其實牛頓也解釋不清楚，但是他的理論對於引力比較小，速度比較慢的宏觀世界，是匹配的很好的。補充一點：在牛頓的理論當中，時空是平直的。

愛因斯坦：時空的彎曲

愛因斯坦認為，牛頓理論的基礎假設是錯的，時空並不是平直的，而是可以彎曲的。

而質量越大的物體對於時空扭曲的程度就會越大。比如：黑洞，就因為扭曲程度實在太大了，所以光都跑不出來。

在這套體系當中，引力的本質是時空的彎曲。舉個例子，地球之所以繞著太陽轉，表面上看是引力，實際上是因為太陽扭曲了時空，地球沿著測地線在運動而已。

愛因斯坦的理論比牛頓的適用範圍更廣，不僅宏觀世界能夠描述，也能夠描述引力巨大，速度巨快的世界。是我們目前關於引力的主流理論。

引力子

除了愛因斯坦之外，其實還有一些科學家提出了不同意見，他們發現大自然有四種作用力，強力，弱力，電磁力和引力。而現代的粒子標準模型理論已經完成了強力，弱力和電磁力的統一，他們發現這些作用都是通過粒子實現的。所以，他們認為是不是也存在傳輸引力的引力子，並且提出了引力子理論。但這個理論其實存在著巨大的誤差。而且引力子至今也沒有被找到。

所以，目前的主流理論是愛因斯坦的相對論，引力的產生來自於時空的彎曲。

鍾銘聊科學

引力是什麼，人類思考這個問題長達2000多年了。要講明白這個宏大的命題，我們先從一個傳統的爭論入手，以便同學們熱熱身。

牛頓和愛因斯坦的引力之爭

牛頓發現萬有引力後，從名字大家應該可以理解到，引力不用管如何產生，因為它“萬有”！上帝只需要在最初一刻推動一下天鍾，宇宙星辰就在牛頓的宇宙中恆久不變的運動了。簡單的說，大家普遍認為引力無處不在，而且傳播是不需要時間的。

愛因斯坦不信這個邪，“只有真空光速不變才是唯一的絕對！其他一切都可以改變！”在廣義相對論的宇宙中，空間被掰彎，時間被拖慢，引力自然也不例外。按“相對論”的高逼格引力被重新表述：質量發生變化，導致時空結構改變，時空結構的變化將以“波”的形式傳播。

簡單的說：引力以光速傳播。這就是引力波的概念。

初判高下：宇宙雙星系統實驗

按照牛頓的經典物理：兩顆質量不變的星星，相互繞著旋轉，軌道半徑是不會有任何變化的。

但按照相對論引力波的理解，兩顆旋轉的星星，忽遠忽近，使得引力忽大忽小，並以光速對外傳播，這種“引力輻射”使雙星的能量不斷降低，進而導致雙星運行軌道變短。

這就好辦啦，宇宙早就為我們準備了一個完美的“引力實驗室”——脈衝雙星。

1974年阿雷西博射電望遠鏡發現了一對脈衝雙星，編號PSR1913+16，按照引力波的預言，這對脈衝雙星因為引力輻射損失能量，應該會導致公轉週期每年減少百萬分之75秒，並在3億年後合併。

天文學家持續進行了多年的觀測，最終，根據脈衝變化規律計算得：公轉週期每年減少百萬分之76±2秒，半長軸每年縮短3.5米，與相對論預言極其吻合！

這是首次對廣義相對論最精確、最全面的檢驗！第一回合，愛因斯坦獲勝。

引力波直接測量原理

脈衝雙星雖然提供了有力的間接證據，但畢竟不是直接測量。大家一合計，不如來一次面對面測試吧。

引力波探測的原理異常簡單。前後放兩塊板，如果引力是瞬間傳播的，那麼這兩塊板會同時感受到引力，同時產生輕微的位移，兩者間距不會有變化。如果引力是光速傳播的，那麼前面的板先感受到引力，先產生位移，此時後面的板尚未感受到引力，所以兩塊板的間距就會發生變化。

簡而言之：如果好端端的兩塊板，突然平白無故的移動了一下，我們就認為探測到了引力波。

愛因斯坦的勝利：LIGO

道理不復雜，做起來可一點不簡單！引力波引起的移動，可能只有千分之一質子大小的距離。我們要測量到這種尺度的位移，才能有本事揭開引力波之謎，不說了，上硬菜——激光干涉引力波天文臺（LIGO）！

先把一束激光分成2束，按相互垂直的方向發射出去，在各自頂端放一個反射鏡。每個管道長4km，激光來回反射50次，最後兩束激光形成干涉條紋。當引力波經過時，兩個反射鏡會先後受到干擾，先後產生位移，間距也就變了一下，干涉條紋就會發生變化。

為了信號的可信度，特別在遠處再造一個一模一樣的裝置，兩臺LIGO相距3000km。這樣可以避免任何地球本身的振動，對測量產生影響。而來自十幾億光年之外的引力波，哪怕是相距3000萬km，引力場也是非常均勻的，兩臺LIGO的測量波形將完美吻合。

美國總共花費5.6億美元，耗時16年，終於得到了如下的成果：

這個引力波來自十幾億光年之外的兩個黑洞相撞，兩顆黑洞的初始質量分別為14.2顆太陽和7.5顆太陽，合併成了一顆20.8倍太陽質量的黑洞，虧損的0.9顆太陽質量以引力波的形式釋放到宇宙空間。如此巨大的能量，讓我們目睹了0.25秒的琴絃擾動。

勝利屬於愛因斯坦的宇宙。

引力到底是什麼？

引力，彷彿亙古不變，不可屏蔽，不會轉向，執著的以恆定光速向外傳播，和其他三種基本力完全不同。

引力也是目前為止我們這種三維空間生物超越時空的唯一希望。例如，面對黑洞，時空物理規律都被破壞，唯獨引力一如既往向外傳播，連黑洞都被它無視。

可惜，原理機制仍舊是瞎。但好歹愛因斯坦為我們指明瞭方向。

結語

我們好像知道了很多，其實我們或許根本一無所知。能夠觸摸到宇宙最深奧秘的邊緣，人類必須全力以赴。

貓先生內涵科普

在牛頓之前，人類的世界觀是神的世界，認為天體的分佈和運行都是根據上帝的旨意安排的。

拋開意識形態的爭執，當時人類認為，世界的現狀是一直存在著的，並沒有追究與探尋導致天體現狀的原因與具體的物理機制。

到了牛頓時代，牛頓藉助引力的機制，解釋了行星為何會圍繞著太陽🌞在橢圓軌道上運行。然而，牛頓並沒有進一步給出產生引力的具體機制。

1916年，愛因斯坦發表了廣義相對論，通過將兩個不同概念的引力質量和慣性質量等同起來，使物質與空間建立了相互聯繫。

於是，愛因斯坦將物質之間的引力歸結為空間的變形，即空間彎曲。不過，作為唯象型理論，愛因斯坦在廣義相對論中依然沒有說明引力引起空間彎曲的物理機制是什麼，甚至都沒有說明空間是由什麼構成的。

又過了十年，藉助普朗克常數h，玻爾等人建立了量子力學。他們發現，所以物體都具有波動性。

這意味著，在我們的宇宙中，存在著統一且不連續的物理背景，即宇宙是由無數個離散的基態量子構成的。

又由於原子的體積只是由電子高速運動所產生的屏蔽效應形成的，所以物質是由高能量子組成的封閉體系。

由於封閉體系具有概率性，因而任何物質的封閉性是小於1的。

於是，作為封閉體系的物質都會對其物理背景即量子空間產生熱輻射☢️，使該物質臨近的量子空間形成熱的梯度分佈。

於是，兩物體之間的空間溫度會略高於它們外側空間的溫度。

由於空間的溫度與物體的封閉性成反比關係，所以量子空間對兩物體外側的量子碰撞💥多於對它們內側的量子碰撞。由此產生的壓力差，導致了兩物體的相互接近。這就是產生萬有引力的物理機制。

根據這一量子碰撞的引力機制，可以避免萬有引力公式中的距離為零，引力出現無窮大的弊端。

根據計算，空間量子之間的距離為2.913x10-14釐米。當兩物體的距離小於這一距離時，就失去了量子空間的壓力，引力以指數的形式迅速衰減為零，即當作用距離小於空間量子間距時，引力就不再存在了。

總之，如果空間是由離散的量子構成的，物質是由高能量子組成的的封閉體系，那麼量子空間的不對稱碰撞，是產生引力的物理機制。

淡漠乾坤

千百年來人類之所以能腳踏實地的生活，全靠地球引力將人類牢牢“吸附”在了地表，人類對引力的第一次系統認知始於牛頓時期的萬有引力定律，從那時起人們知道了質量越大引力越大並且也知道了平方反比定律。

但牛頓並不知道引力是怎麼產生是，他認為引力是自古以來就有的一種屬性，但事實證明引力也是有產生機制的。在1916年發表的廣義相對論中愛因斯坦將引力歸結於質量扭曲時空造成的幾何形變，按照這個思路愛因斯坦還提出了引力場方程，後來的黑洞引力波以及可能存在的蟲洞都是從愛因斯坦廣義相對論中得出來的。

在廣義相對論近乎完美的解釋引力的同時，量子力學也在研究其他三種基本作用力，並且在上個世紀下半葉構建了以“楊-米爾斯理論”為基礎的粒子物理學標準模型，該模型完美的將強力弱力以及電磁力歸納到了一起，從而統一了四大基本力中的三種。

但引力卻始終無法與其他三種基本作用力歸納到一個理論裡，這背後反應的其實是廣義相對論和量子力學間的矛盾。

量子力學認為引力也是由粒子的交換所產生的，因此基本粒子模型裡一直有一個叫“引力子”的東西存在，然而直到今天科學家們也沒找到引力子，所以現在的引力產生機制還是廣義相對論所說的時空扭曲。

但問題是相對論和量子力學這兩個現代物理學的支柱卻在引力問題上始終無法達成一致，因此關於引力的認識和探索其實還有很長一段路要走。

宇宙探索未解之迷

從1687年牛頓萬有引力理論，及1915年愛因斯坦的時空曲率理論來看，引力是由大質量天體壓縮時空而來；最新的科學研究認為引力是由物體吸收暗能量而來。

宇宙中的一切物體之間都具有引力，無論大小，質量大的引力大。就像約4光年的太陽系中，各天體都繞著太陽週而復始旋轉，就是因為太陽的引力使然。

牛頓的萬有引力

萬有引力是1687年由牛頓提出，是物體之間相互吸引力，這個吸引力大小與與物體質量成正比，與距離成反比。表達式：F=（Gm₁m₂）/R²（G是萬有引力常數，m₁m₂是兩物體質量，r是距離）。

看似簡單的一個公式，已經將萬有引力闡述得詳細明瞭。據牛頓自己介紹，這是他在親戚家的果園裡思考出來的。

愛因斯坦的引力場方程

愛因斯坦在1915年提出了著名的引力場方程：(8πG/c⁴）Tμv=Rμv-1/2Rgμv+Λgμv，式中g是時空度量。

愛因斯坦曾說“一隻盲目的甲蟲在球面爬行，意識不到它走的路是彎曲的”。他認為，通過時空度量g，可以確定時空曲率會引導物體運動。這種引導力就是我們感到的引力。

比如一張蹦床，一個鐵球會讓蹦床下陷，如在這個陷坑邊沿投入一個乒乓球，乒乓球會逐漸旋轉著落入坑內。

而阻止這些物體由於引力不聚集到一起的就是滿布宇宙的暗能量。

物體吸收暗能量形成引力

最新的研究認為一切物體都會吸收暗能量，這股暗能量流動的方向就形成了引力。

暗能量無處不在，引力也無處不在。

弄潮科學

我們巳經知道，宇宙間存在萬有引力、電磁力、強核力和弱核力四種自然力。這四種自然力中，除了萬有引力還不知其來源之外，其他三種自然力的來源，都已經為人類所掌握。既然如此，我們就可以首先肯定一下，萬有引力是由物質產生的。這一觀點，我想任何人都不會有異議吧？如此，我們就可以來分析一下，物質又是由什麼構成的。大家都知道，物質是由分子、原子構成的，而原子又由原子核及核外電子所組成。因為原子核中存在正電荷，而核外電子卻帶著負電荷。由於異性相吸的原理，所以才會使得原子核與核外電子相互吸引，永不分離，從而形成了一個完整的統一體—原子。核外電子圍繞原子核旋轉，於是就產生了電磁引力。同時，我們也都知道，用絲綢磨擦過如玻璃棒，可以吸附紙屑。這是因為被磨擦過的玻璃棒，會向紙屑釋放電子，而電子又不能永遠脫離原子核的緣故。如此，我們就可以根據這一原理，推導出這樣一個結論：各天體在宇宙間不停的運動，與所謂的時空發生磨擦，就必然的也會產生釋放和吸附電子的現象，所以也會在這一過程中產生吸引力，這個吸引力，就是萬有引力。

盼君康

早在1687年牛頓就對自然界的運動現象做出來描述，他提出萬有引力和三大運動定律奠定了物理科學界的基礎。他的理論認為，世界上的物體都存在一種相互吸引的引力。質量越大的物體引力就越大，包括我們人本身也是有引力的，只是我們自身的引力太小，被宇宙中大型天體的引力給中合了。

愛因斯坦的引力場可以實用於宇宙天體大的方面。而牛頓的萬有引力則實用與於小的方面。兩者並不衝突，都是對自然界的描述。
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時間史

引力究竟是如何產生的，實際上物理學界並沒有實證解釋。愛因斯坦對引力進行了宏觀本質的詮釋，即引力是時空的幾何。但可能大眾對這個解釋不大滿意。這裡我來說下自己的理解。

我們可以從這麼兩個角度來理解引力產生的機制：

不能簡單解釋說引力是質量產生的，這只是表象而不是本質。

實際上愛因斯坦提出的等效原理裡面就暗含否定了上面這種“膚淺”的解釋，即被動萬有引力質量與慣性質量等效（但為什麼等效到現在仍然是個謎），也就是說即便質量不產生引力或沒有引力作用，那麼通過觀察慣性運動，也還是可以確定質量的。所以在等效原理的本質沒有得到解釋的前提下，無法完全證明質量與引力之間的必然關係。[頭條·小宇堂-未經許可嚴禁轉載]

上圖：強等效原理（左），即引力效應與加速運動等效；弱等效原理（右），即自由落體與無引力等效。強等效原理暗示（但非證明）引力與加速運動的關係，同時也更進一步凸顯了質量與引力根源的迷局。

考慮引力是時空的幾何，引力可能是因時空密度梯度造成的

要理解時空密度並不太容易，可以這樣來引導思考：

1. 運動的空間是時空

2. 空間以不同速度運動，在單位時間內通過的空間量的不同，造成了空間密度的變化；
   

3. 空間以不同加速度運動，相當於在單位時間內通過的時空的量不同，造成了時空密度的變化；
   

4. 加速運動的時空，則相當於時空密度變化的速度增長，這個增大的幅度或許可以叫做時空密度的梯度。

有質量物體周圍的時空就是一個時空密度的梯度場，也就是“引力場”。

上圖：一個靜態的示意圖大概是這樣的，但可以認為空間隨著時間的流逝還在不斷地向質心加速運動（不得不說，空間匯聚到一點並不會讓空間變少了，這個不是日常物質損耗的概念）。

所以引力場所佔據的空間應該被視為一個空間不斷向質心匯聚的時空，也就是說空間在向質量中心不斷地非線性地加速塌陷，一個有質量的物體周圍的空間向內加速蹋縮將其他物體向自己的質心處運送，形成了吸引的現象。質量越大，這種加速度就越大，這個空間的加速度即可被視為是引力加速度。最典型的例子是黑洞（見下圖）：

上圖：一個黑洞周圍空間不斷向黑洞的奇點加速匯聚。

總結

時空的密度=加速運動的空間，這個解釋可能能夠同時解釋愛因斯坦的強等效原理和引力的產生機制。強等效原理指出有質量物體在引力場中的運動與該物體作加速運動的效果無論用多精確的儀器檢測都看不出差別。個人認為這兩者的共同點在於都可以視為是空間加速造成。這可以算是一個比較合理的解釋。

關鍵字: 引力 萬有引力 牛頓