每當我們對重力有新的發(fā)現(xiàn)，我們就會用新的眼光看待我們周圍的世界。
圖片：跳傘
重力是物理學(xué)中的四大力之一，但是我們理解的重力正在逐漸發(fā)展。
什么能比重力更常見？投出某物，重力使它落到地面，難道不是嗎？在學(xué)校我們學(xué)習到：重力指引月亮在地球周圍的軌道運行，指引地球在太陽周圍的軌道運。
重力使我們的腳固定在地面上。它指引每個罰球投籃的軌跡，也指引著每個我們曾經(jīng)發(fā)射或者將要發(fā)射的宇宙飛船的軌跡。它確實把宇宙維系在一起。
圖解 : 地球引力場中的引力探測器B
重力是物理學(xué)中已知的四種力之一。其他的是控制電、磁和光的電磁力，以及一對在原子核內(nèi)微小距離內(nèi)運行的核力。與我們的直覺相反的是，重力是所有力中最弱的一個。一個小的冰箱磁鐵足夠從桌上吸起一個回形針，即使整個地球的質(zhì)量都在把它往下拉。
圖解：萬有引力使行星按照自身的軌道圍繞太陽運轉(zhuǎn)
為什么一些科學(xué)家說物理學(xué)已經(jīng)偏離了軌道？
從艾薩克·牛頓和他的蘋果時代開始，我們對重力的認識就一直在發(fā)展，現(xiàn)在依然如此。每當我們對重力有新的發(fā)現(xiàn)，我們就會用新的眼光看待我們周圍的世界。
圖解：被稱為牛頓蘋果樹后代的一顆蘋果樹，發(fā)現(xiàn)于劍橋大學(xué)的植物種植園。
牛頓的洞察力
在1666年，23歲的牛頓從劍橋大學(xué)回到英國鄉(xiāng)村的家。幾年后，他告訴一個傳記作家，在一個慵懶的下午，他陷入沉思，“因為一個蘋果的掉落”，他的思緒轉(zhuǎn)向了重力。牛頓不是第一個注意到蘋果從樹上掉下來的人。當他從數(shù)學(xué)上證明蘋果對地球的引力一定與月球在軌道上的引力相同時，他產(chǎn)生了偉大的見解。
牛頓引力定律的核心——現(xiàn)在被稱作萬有引力定律——宇宙中的所有物體在不斷地吸引著其他物體。力的大小和質(zhì)量成正比，換句話說，物體越大，引力越大。
圖片：艾薩克·牛頓的印象牛頓在伍爾索普的果園里，一個蘋果掉了下來，讓他思考萬有引力。
重力的大小也隨著物體之間的距離減小。正如物理學(xué)家所說，力與它們之間距離的平方成反比。這就是說如果你使兩個物體之間的距離加倍，它們施加給彼此的重力的大小只增大四分之一。
牛頓是這樣描述引力的：萬物吸引萬物，無論它們在哪它們距離多遠。但是一些引力的概念使他煩惱。力是如何在真空中起作用的?
圖解：牛頓自己的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》副本，并帶有為第2版所作的修正。
紐約《地心引力:揭開我們腳下的秘密》(2019年出版)一書的作者理查德·帕內(nèi)克說，“那種‘在遠處有吸引力’的想法對他來說毫無意義。” “在他生命的最后，牛頓說：或許有一天，我們將找到這個有這種影響的東西”。
愛因斯坦的革命
200多年后，引力作用于真空的謎團已經(jīng)被阿爾伯特·愛因斯坦解決，他的廣義相對論用一種新的方式描述了引力。牛頓認為引力是一種力，而愛因斯坦將它看作一個自我扭曲的空間，就像帕內(nèi)克說的，“牛頓描繪引力是一種跨越空間的運動，但是愛因斯坦將它看作是物質(zhì)和空間的相互作用。”
圖片：1931年1月，阿爾伯特·愛因斯坦在洛杉磯郊外威爾遜山天文臺的黑板前。天文學(xué)家們最近用威爾遜山的望遠鏡觀測到宇宙正在膨脹。
空間的扭曲固然難以想象。一個有用的類比：就像一個保齡球掉落在橡膠板上，扭曲橡膠板的表面。現(xiàn)在想象一個大理石在紙上滾動。因為表面是扭曲的，大理石沿著彎曲的路線滾動。這個大理石的運動就像保齡球被施了一個力在上面。
愛因斯坦的引力概念意味著牛頓的是錯的嗎?不是的。只是愛因斯坦的理論更準確和全面。如果你正在計算一個扔出的棒球什么時候砸向地面，或者計算下一次月食發(fā)生的時間，牛頓引力定律是適用的。但是，在極端的情況下，例如，當涉及到一個巨大的物體，你需要愛因斯坦的更準確的方程。只有通過愛因斯坦的廣義相對論，我們才能理解像黑洞這樣的外星物體和像引力波這樣的現(xiàn)象的運作方式。
圖解：在600千米的距離上觀看十倍太陽質(zhì)量的黑洞（模擬圖），背景為銀河系
在大多數(shù)情況下，科學(xué)家仍然像牛頓那樣，將引力看作一種力。甚至宇航員也傾向于用牛頓力學(xué)思考重力。1968年12月，當阿波羅八號宇宙飛船從月球返航時，宇航員比爾·安德斯打趣道：“我認為艾薩克·牛頓現(xiàn)在是主要的駕駛員。”
圖解：在室女A星系中心的黑洞，此為人類首次觀測并得到確認的黑洞影像
重力的未來
盡管愛因斯坦的理論在幫助物理學(xué)家解決天體物理學(xué)和宇宙學(xué)的諸多問題上取得了成功，但它可能并不是引力的最終定論。這是因為還沒有人想出如何將廣義相對論與另一個偉大的物理學(xué)理論——描述亞原子領(lǐng)域內(nèi)部運作的量子力學(xué)——調(diào)和起來。“問題是廣義相對論不適合量子力學(xué)，”帕內(nèi)克說。“重力是四種力中唯一沒有量子解釋的。”
圖解：愛因斯坦解釋廣義相對論的手稿扉頁
物理學(xué)家希望有一天一個更完備的理論能將廣義相對論和量子力學(xué)結(jié)合起來。如果這件事發(fā)生了，我們將能再次以一種新的視覺看待引力。
相關(guān)資料延伸閱讀
廣義相對論是現(xiàn)代物理中基于相對性原理利用幾何語言描述的引力理論。該理論由阿爾伯特·愛因斯坦等人自1907年開始發(fā)展，最終在1915年基本完成。廣義相對論將經(jīng)典的牛頓萬有引力定律與狹義相對論加以推廣。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率），而時空的曲率則通過愛因斯坦場方程和處于其中的物質(zhì)及輻射的能量與動量聯(lián)系在一起。
圖解：行星繞恒星作公轉(zhuǎn)的經(jīng)典力學(xué)軌道（紅）和廣義相對論軌道（藍）比較
從廣義相對論得到的部分預(yù)言和經(jīng)典物理中的對應(yīng)預(yù)言非常不同，尤其是有關(guān)時間流易、空間幾何、自由落體的運動以及光的傳播等問題，例如引力場內(nèi)的時間膨脹、光的引力紅移和引力時間延遲效應(yīng)。廣義相對論的預(yù)言至今為止已經(jīng)通過了所有觀測和實驗的驗證——廣義相對論雖然并非當今描述引力的唯一理論，但卻是能夠與實驗數(shù)據(jù)相符合的最簡潔的理論。不過仍然有一些問題至今未能解決。最為基礎(chǔ)的即是廣義相對論和量子物理的定律應(yīng)如何統(tǒng)一以形成完備并且自洽的量子引力理論。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學(xué)名詞
3. nbcnews- Dan Falk- YY
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