萬有引力是什麼？

每當在萬有引力研究方面有了新的發現，我們都會以一種全新的眼光來看待周圍的世界。

圖片：高空跳傘。引力是物理學中我們已知的四個力之一，但是我們對引力的理解在不斷地深化。

還有什麼能比引力更令我們熟悉呢？從高處落下一個物體，萬有引力就使它墜向地面。同時我們在課堂上學到引力使月球繞地球運動，也使地球繞太陽運動。

圖解：萬有引力使行星按照自身的軌道圍繞太陽運轉

引力使我們能夠平穩地站在地面上。它引導着每一個被抛出的籃球的軌迹和每一個宇宙飛船的軌迹。可以說，是萬有引力使宇宙中的萬物聚在一起。

萬有引力是物理學中我們已知的四個力之一。其他的幾個力是：控制着電力、磁力和光的電磁力，以及在原子核内的微小距離上有效的一對核力。似乎可能違背直覺的是，萬有引力是這些力中最弱的一個。一個小小的冰箱貼足以從桌子上吸起一枚回形針，即使整個地球的質量都在向下拖拽這枚回形針。

圖解：引力作用于形成銀河系的恒星。

自艾薩克・牛頓從蘋果上發現引力以後，我們對于引力的理解在不斷地完善，并且至今仍是。每當在引力研究方面有了新的發現，我們都能以一種全新的眼光看待周圍的世界。

圖解：被稱為牛頓蘋果樹後代的一顆蘋果樹，發現于劍橋大學的植物種植園。

1666年，23歲的牛頓從劍橋大學回到位于英國鄉村的家中。多年後他對一位傳記作家說，在一個慵懶的下午，他正在沉思，這時，由于蘋果偶然間墜落，他的思緒轉移到了引力上。牛頓不是第一個注意到蘋果從樹上落下來的人，他偉大的洞察力表現在，他以數學的形式展示了使蘋果落向地面的力一定與使月球按照軌道運轉的力是同一種。

牛頓引力概念的核心——現在被稱為萬有引力定律——即宇宙中每個物體與其他所有物體間都存在吸引力。而且這力量的強弱與它的質量成正比，也就是說，一個物體質量越大，它的引力就越強。

藝術家印象圖，牛頓在伍爾斯索普的果園裡，一個蘋果掉了下來，讓他想到了地心引力。來源：UniversalImagesGroup

引力也随着物體之間的距離而減弱。正如物理學家所說，力與它們之間距離的平方成反比。那就意味着，如果你把兩個物體之間的距離擴大一倍，它們之間的引力就隻有之前的四分之一。

牛頓是這樣描述引力的：每個物體都在吸引着其他所有的東西，不管它們在哪裡，或者相距有多遠。但是重力的一些概念也困擾着他，力是如何跨越真空作用到物體上的？

在紐約的作家理查德·帕内克是《引力：揭開我們腳下的秘密》的作者，他說：“對牛頓來說，‘在一段距離上産生吸引力’這個說法有些費解。在他生命的最後一段時間，他說，也許有一天我們能發現引力到底是什麼。”

愛因斯坦的革命

引力跨越空間的秘密在200年後被阿爾伯特·愛因斯坦揭開，他的廣義相對論用一種全新的方式描述了引力。牛頓認為引力是一個力，而愛因斯坦把它看做空間本身的彎曲。帕内克說：“牛頓把引力描繪成在空間中發生的一種行為，但愛因斯坦認為這是物質和空間的相互作用。”

1931年1月，阿爾伯特·愛因斯坦在位于洛杉矶城外的威爾遜山天文台的黑闆旁。天文學家用威爾遜山天文台的望遠鏡發現了宇宙膨脹。圖片來源：紐約時報

誠然，空間的彎曲是不容易描繪的。一種能幫助理解的類比是，想象把保齡球放在橡膠膜上，保齡球就會彎曲橡膠膜的表面。現在想象一個玻璃彈珠沿着橡膠膜的表面滾動，因為膜表面是彎曲的，玻璃彈珠就會沿着彎曲的路徑滾動。從玻璃彈珠來看，它的行為就像是保齡球對它施加了一個引力。

地球的引力場彎曲了時空，就好像沉重的保齡球彎曲了橡膠膜。地球附近的衛星在彎曲的空間中運動，看起來就像是繞着地球轉。圖源：space

愛因斯坦的理論能說明牛頓的引力概念是錯的嗎？并不是，愛因斯坦的理論隻是更加精确和詳細。如果你要計算抛出的籃球何時落地，或者計算下一次日食何時發生，用牛頓引力就足夠了。但在極端的情況下，比如在極大質量物體的附近，廣義相對論的公式更加精确。通過廣義相對論，我們可以理解一些奇異的東，比如黑洞和引力波。

圖解：LIGO引力波天文台位于美國華盛頓，2015年9月首次觀測到引力波。

在大多數情況下，科學家仍然繼續使用牛頓引力，也包括宇航員。1968年12月阿波羅8号宇宙飛船從月球返回時，宇航員威廉·安德斯打趣說：“我覺得大部分時間是牛頓在開飛船。”

引力的研究前景

愛因斯坦的理論成功地幫助科學家解決了天體物理和宇宙學方面的大量問題，但仍不是一個描述引力的終極理論，因為沒人知道如何把引力與量子力學統一起來，後者是另一個物理學中的偉大理論，用來描述亞原子領域的現象。帕内克說：“問題在于，廣義相對論無法很好地與量子力學結合，引力是四種基本力中唯一一個沒有量子解釋的。”

物理學家希望，未來某個更完全的理論能夠把廣義相對論和量子力學結合起來。如果實現的話，我們又能夠以一種嶄新的方式來看待引力。

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. xeno- Dan Falk

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