引力，這一主宰宇宙萬(wàn)物運(yùn)動(dòng)的神秘力量，長(zhǎng)期以來(lái)吸引著無(wú)數(shù)科學(xué)家的探索。
無(wú)論是我們奮力跳躍后瞬間落回地面，子彈射向天空后不久墜落，還是人造衛(wèi)星燃料耗盡后難逃重返地球、在大氣摩擦中焚毀的命運(yùn)，背后的 “推手” 都是引力。
但引力究竟有多大？它又是如何產(chǎn)生的？
在牛頓被蘋果砸中腦袋之前，始終無(wú)人能給出科學(xué)的答案。
1666 年，23 歲的艾薩克?牛頓為躲避倫敦爆發(fā)的黑死病，來(lái)到偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村的農(nóng)場(chǎng)。即便離開(kāi)了劍橋大學(xué)，他在鄉(xiāng)村的日子里也從未停止思考。
某一天，牛頓在蘋果樹(shù)下被一顆成熟的蘋果砸中?？粗鴿L落在地的蘋果，他突然意識(shí)到，蘋果下落是因?yàn)槭艿降厍虻闹亓ψ饔?。而且，這個(gè)重力并非僅存在于地球表面，極有可能是宇宙中一切星體相互吸引的根本原因。
1669 年，27 歲的牛頓成為劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)教授。
1687 年，牛頓提出物體間力的相互作用定律，即萬(wàn)有引力定律。他認(rèn)為，宇宙中任何兩個(gè)物體之間都存在相互吸引力，這個(gè)力的大小與兩個(gè)物體的質(zhì)量成正比，與它們之間距離的平方成反比。
由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平有限，牛頓無(wú)法測(cè)定引力常數(shù) G 的值，因此萬(wàn)有引力公式最初表示為：F∝mM/r2，其中 F 為兩個(gè)物體相互間的引力，m 與 M 分別為兩個(gè)物體的質(zhì)量，r 為物體間的距離。
1798 年，英國(guó)物理學(xué)家亨利?卡文迪許通過(guò)精密的扭秤實(shí)驗(yàn)，測(cè)出引力常數(shù) G 的值約為 6.754×10?11 N?m2/kg2。自此，萬(wàn)有引力公式被改寫為：F=（G×m?×m?）/r2。
萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)為天體力學(xué)奠定了基礎(chǔ)，科學(xué)家們借助它，能夠精確測(cè)量太陽(yáng)、地球與月球的質(zhì)量及引力關(guān)系，準(zhǔn)確計(jì)算彗星的軌道，甚至通過(guò)行星間軌道的細(xì)微變化，推測(cè)出遙遠(yuǎn)太空中海王星的存在。
萬(wàn)有引力定律極其準(zhǔn)確，我們無(wú)需登上月球，就能計(jì)算出自己在月球表面的重量，還能通過(guò)它求出月球?qū)Φ厍蛲杰壍佬l(wèi)星的微小攝動(dòng)力。牛頓通過(guò)簡(jiǎn)單易懂的公式，揭示了宇宙中物質(zhì)間引力的規(guī)律，為人類探索宇宙提供了有力工具，其貢獻(xiàn)不可磨滅。
然而，牛頓的萬(wàn)有引力理論并非完美無(wú)缺，它未能解決一些根本性問(wèn)題，比如引力的實(shí)質(zhì)是什么，引力與宇宙中其他力之間存在何種關(guān)聯(lián)，萬(wàn)有引力是否適用于所有場(chǎng)合等。
直到 20 世紀(jì)初，阿爾伯特?愛(ài)因斯坦的出現(xiàn)，才讓這些問(wèn)題有了進(jìn)一步的解答。
1915 年底，在瑞士伯爾尼專利局任職的愛(ài)因斯坦，向普魯士科學(xué)院提交了廣義相對(duì)論論文。
論文中，愛(ài)因斯坦提出兩條具有革命性的觀點(diǎn)：一是等效原理，即引力場(chǎng)與慣性力場(chǎng)在動(dòng)力學(xué)上是等效的；二是廣義相對(duì)性原理，所有物理定律在任何參考系中的形式都相同。
為了創(chuàng)立相對(duì)論，愛(ài)因斯坦提前學(xué)習(xí)了微分幾何，這一用于研究彎曲空間的數(shù)學(xué)工具。
他認(rèn)為，一切有質(zhì)量的物體都具有能量，會(huì)使周圍的空間發(fā)生變形，同時(shí)速度也會(huì)扭曲時(shí)間。在這種扭曲的時(shí)空中，傳統(tǒng)的歐幾里德幾何學(xué)難以適用，必須借助全新的思維方式和數(shù)學(xué)工具來(lái)解決問(wèn)題。
愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程遠(yuǎn)比牛頓的萬(wàn)有引力定律復(fù)雜，這是一個(gè)包含 16 個(gè)變量的二階非線性偏微分方程組，理解和求解都極具難度。
不過(guò)，通過(guò)該方程計(jì)算出的結(jié)果以及基于廣義相對(duì)論做出的預(yù)言，很多都得到了證實(shí)。
水星軌道進(jìn)動(dòng)：1859 年，法國(guó)天文學(xué)家勒威耶利用牛頓萬(wàn)有引力定律計(jì)算水星軌道時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在誤差。水星在其軌道近日點(diǎn)的實(shí)際觀測(cè)進(jìn)動(dòng)值，比理論計(jì)算值每 100 年快了 38 角秒。當(dāng)時(shí)人們并未懷疑牛頓萬(wàn)有引力定律，而是猜測(cè)在水星與太陽(yáng)之間存在另一顆行星 “瓦肯人”，是它影響了水星的軌道。但實(shí)際上，這顆行星并不存在。當(dāng)將相關(guān)參數(shù)代入愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程進(jìn)行復(fù)雜推算后，得出的進(jìn)動(dòng)角位移公式與實(shí)際觀測(cè)值相符，成功解釋了水星軌道進(jìn)動(dòng)的異?，F(xiàn)象。
光被重力彎曲：根據(jù)相對(duì)論的等效原理，光雖無(wú)靜止質(zhì)量，但具有能量，其能量等效于質(zhì)量。因此，當(dāng)光經(jīng)過(guò)大質(zhì)量天體附近時(shí)，會(huì)被重力吸引而發(fā)生偏轉(zhuǎn)或彎曲。
1919 年，太陽(yáng)發(fā)生日食，英國(guó)天體物理學(xué)家亞瑟?愛(ài)丁頓在西非和巴西觀察到遮蔽太陽(yáng)背后 Hyades 星團(tuán)位置的變化，看到了本應(yīng)被太陽(yáng)擋住的星光，證明了愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程和廣義相對(duì)論的正確性。后來(lái)，天文學(xué)家觀察到的 “引力透鏡” 現(xiàn)象以及 “愛(ài)因斯坦十字”，進(jìn)一步證實(shí)了光會(huì)被大質(zhì)量天體的引力彎曲。
引力紅移：由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程及廣義相對(duì)論推測(cè)出的引力紅移現(xiàn)象，如今被天體物理學(xué)家廣泛用于判斷遙遠(yuǎn)星球的運(yùn)動(dòng)方向，并由此提出 “宇宙大爆炸” 假說(shuō)。當(dāng)光從引力場(chǎng)逃逸時(shí)，會(huì)失去能量，導(dǎo)致波長(zhǎng)變長(zhǎng)，向較低頻率和較長(zhǎng)波長(zhǎng)移位，可見(jiàn)光會(huì)向紅外光移位。
2018 年 5 月，歐洲南方天文臺(tái)的科學(xué)家將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)距離我們 2.8 萬(wàn)光年銀河系中心的 S2 恒星，當(dāng)它以 7600km/s 的速度接近銀河系中心黑洞人馬座 Sgr A 時(shí)，光譜開(kāi)始變紅?？茖W(xué)家分別用牛頓萬(wàn)有引力定律和愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程計(jì)算 S2 恒星的軌道，結(jié)果表明，愛(ài)因斯坦的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)高度吻合，而牛頓的結(jié)果則偏差較大。
引力波：萬(wàn)有引力定律無(wú)法解釋引力波，而愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論成功預(yù)測(cè)了引力波的存在。在廣義相對(duì)論中，引力被視為時(shí)空的曲率，引力波是空間和時(shí)間本身結(jié)構(gòu)中的漣漪，通過(guò)時(shí)會(huì)交替拉伸和壓縮空間。
2015 年，激光干涉引力波天文臺(tái)首次探測(cè)到遙遠(yuǎn)天體相撞發(fā)出的引力波，此后又多次探測(cè)到黑洞合并產(chǎn)生的引力波，證明了愛(ài)因斯坦時(shí)空彎曲設(shè)想的正確性。
此外，基于相對(duì)論還做出了其他預(yù)言，如黑洞、視界事件與奇點(diǎn)，時(shí)間測(cè)量的相對(duì)性，宇宙膨脹與宇宙演化，雙星系統(tǒng)因引力輻射損失能量相互靠近形成脈沖星等。這些預(yù)言有些已通過(guò)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)得到完全驗(yàn)證，有些部分得到驗(yàn)證，展現(xiàn)了廣義相對(duì)論的強(qiáng)大解釋力。
那么，既然廣義相對(duì)論是正確的，是否意味著萬(wàn)有引力定律就是錯(cuò)誤的呢？
并非如此。
科學(xué)并非非黑即白，牛頓的萬(wàn)有引力理論認(rèn)為，物體因質(zhì)量而具有引力，可以說(shuō)牛頓已經(jīng)解釋了引力的本質(zhì) —— 物體質(zhì)量的表現(xiàn)。
而愛(ài)因斯坦基于狹義相對(duì)論，結(jié)合 19 世紀(jì)中葉麥克斯韋場(chǎng)方程、洛倫茲變換等電磁學(xué)研究成果，將物體的質(zhì)量與能量等效。他認(rèn)為，物體的質(zhì)量決定了能量 - 動(dòng)量密度，能量 - 動(dòng)量密度造成時(shí)空曲率，進(jìn)而確定引力場(chǎng)的強(qiáng)度。
兩者的區(qū)別在于，牛頓的萬(wàn)有引力是瞬時(shí)的，而相對(duì)論認(rèn)為引力是場(chǎng)，傳播速度與光速相同。例如，假設(shè)太陽(yáng)瞬間消失，按照萬(wàn)有引力定律，地球會(huì)立即脫離軌道；而根據(jù)相對(duì)論，地球?qū)⒃?8 分鐘后才會(huì)脫離。此外，牛頓理論不考慮時(shí)間變化，而愛(ài)因斯坦則認(rèn)為時(shí)間會(huì)發(fā)生扭曲，這導(dǎo)致兩個(gè)走時(shí)精準(zhǔn)的原子鐘，從地面和衛(wèi)星上觀察，會(huì)出現(xiàn)不同的計(jì)時(shí)結(jié)果。
實(shí)際上，萬(wàn)有引力定律并沒(méi)有錯(cuò)，只是在某些特定場(chǎng)合并不適用。
廣義相對(duì)論同樣并非絕對(duì)正確，它無(wú)法解釋微觀粒子世界的現(xiàn)象，目前也沒(méi)有理論能夠?qū)⑾鄬?duì)論與量子力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)。未來(lái)，隨著人類對(duì)宇宙探索的不斷深入，必然會(huì)發(fā)現(xiàn)更多相對(duì)論無(wú)法解釋的現(xiàn)象。
直到今天，萬(wàn)有引力定律仍然被廣泛應(yīng)用于解決身邊的許多力學(xué)問(wèn)題。
一方面，在許多物理場(chǎng)景中，我們并不需要極高的精度；另一方面，萬(wàn)有引力定律簡(jiǎn)單且優(yōu)雅，正如我們?cè)谌粘Ｉ钯?gòu)物時(shí)，使用小學(xué)的加減乘除就足夠，無(wú)需用到微積分一樣。引力的奧秘，仍等待著人類不斷去探索和揭示。
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