關于引力，愛因斯坦是對的，難道牛頓錯了？

引力是什么？

這是幾百年來很多科學家苦苦思考的問題。我們跳得再高，剎時城市回到地面；我們標的目的天空射出一枚槍彈，過一會兒它也將失落落地面；就連飛到幾百公里高空的人造衛星，只要哪一天它燃料耗盡，也難逃回落地球并在與大氣摩擦中焚毀的命運。

我們知道這都是引力造當作的，但引力事實有多大？它事實是若何發生的？直到牛頓被蘋果砸中腦殼之前，沒有人能給出科學的謎底。

牛頓發現萬有引力

公元1666年，23歲的艾薩克·牛頓為遁藏在倫敦爆發的黑死病逃到了偏遠村落的農場，盡管分開了劍橋大學，但他在村落寂寞無聊的日子里一向沒有遏制思慮。某一天在蘋果樹下，牛頓被一顆當作熟的蘋果砸中，盯著滾落在地的蘋果，他俄然意識到，蘋果之所以下落，是因為大地對它的重力引起。而這個重力不只存在于地面，它可能是宇宙中一切星體彼此吸引的底子原因。

牛頓與蘋果

1669年，27歲的牛頓當上了劍橋的數學傳授。1687年，牛頓創立了物體間力彼此感化的心猿意馬律，他認為宇宙中任何兩個物體之間都有彼此的吸引力，這個力的巨細與兩個物體的質量當作正比，同時與它們之間的距離的平方當作反比。

鑒于那時科學手藝程度的局限，牛頓無法測心猿意馬那個極小的引力常數G的值，是以萬有引力公式被寫當作：

F∝mM/r²

在這個公式中，F為兩個物體彼此間的引力，m與M別離為兩個物體的質量，r為物體間的距離。

一百多年后的1798年，英國物理學家亨利·卡文迪許經由過程緊密的扭秤法測出引力常數G的值約為：6.754×10^-11 N·m²/kg²，自此，萬有引力公式被改寫為：

F=（G×m₁×m₂）/r²

萬有引力公式

萬有引力的發現為天體力學奠基了根本，自此之后科學家們對天體活動的研究就有了理論依據，他們可以很是切確地測出太陽、地球與月球的質量與引力關系，精確計較彗星的軌道，甚至還經由過程行星間軌道的細微轉變猜測到遙遠太空中海王星的存在。

萬有引力心猿意馬律是如斯精確，乃至于你不需要親自登上月球就能計較出本身在月球概況的重量。就連月球對地球同步軌道衛星的細小攝動力，也可以經由過程萬有引力公式求出。

牛頓發現了宇宙中一切物質間都存在彼此之間的引力，這個引力與它們的質量及距離相關，而且以一個簡單易懂的公式將這個關系暗示出來，為人類摸索宇宙供給了一個壯大的東西。牛頓是偉大的。

因為月球引力僅為地球的1/6，阿波羅13號宇航員到時會輕松很多

但牛頓的萬有引力理論沒有解決一些底子問題：引力的本色是什么？引力與宇宙中其它力之間到底存在什么樣的聯系關系？萬有引力合用于一切場所嗎？

這些問題直到二十宿世紀初另一個天才的呈現，才有了進一步的解答。

廣義相對論的提出

1915年末，瑞士伯爾尼專利局的小人員阿爾伯特·愛因斯坦標的目的普魯士科學院提交了他的廣義相對論論文。在論文中，愛因斯坦提出兩條革命性不雅點：

一、等效道理：引力場與慣性力場在動力學上是等效的；

二、廣義相對性道理：所有的物理心猿意馬律在任何參考系中的形式都不異。

為了創立相對論，愛因斯坦提前好幾年進修了微分幾何，這是一個研究彎曲空間的數學東西。因為愛因斯坦認為一切有質量的物體都擁有能量，它會使其四周的空間發生變形，同時速度也將扭曲時候。在這個扭曲的時空中，傳統的歐幾里德幾何學幾乎毫無用處，他需要用全新的思維體例和全新的數學東西來解決扭曲時空的問題。

一個因重力扭曲三維空間的二維切片示意圖

愛因斯坦的引力場方程遠不如牛頓的萬有引力心猿意馬律那樣輕易理解，事實上這個擁有多達16個變量的二階非線性偏微分方程組可以讓宿世界上絕大大都人陷入絕境，即使你精曉數學，要想經由過程數學的方式求得它的解也是件極堅苦的工作。

愛因斯坦場方程

相對論預言

因為愛因斯坦的引力場方程過分于燒腦，所以咱們不再會商這個方程以及引力關系的推導，只說幾個由此方程所計較出來的成果以及被證實的愛因斯坦廣義相對論預言。

水星軌道進動：

1859年，法國天文學家勒威耶在操縱牛頓萬有引力心猿意馬律計較水星軌道時發現存在誤差，他發現水星在其軌道近日點的現實不雅測進動值比理論計較值每100年快了38角秒。沒有人思疑牛頓，按照萬有引力心猿意馬律，水星的橢圓軌道應該是固心猿意馬的，于是大師猜測在水星與太陽之間有可能還存在另一顆行星，是這顆名叫“瓦肯人”的行星把水星給拖快了。然而沒人能找到這顆星，因為“瓦肯人”底子不存在。

當將各類常數、界說以及變量代入愛因斯坦場方程，再進行一系列復雜的推算之后，人們獲得如下進動角位移公式；再代入太陽質量以及水星軌道一系列參數，物理學家們精確地獲得了38角秒這個值。廣義相對論推導進動公式

光被重力彎曲

按拍照對論的等效道理，光盡管沒有靜止質量，但它有能量，光的能量被等效為質量。是以當光顛末大質量天體四周時，它應該被重力吸引而發生偏轉或彎曲。

1919年，太陽發生日食，英國天體物理學家亞瑟·愛丁頓在西非和巴西不雅察到了掩蔽太陽背后Hyades星團位置的轉變，他看到了本應被太陽蓋住的Hyades星團發出的光，星光在顛末太陽四周時被彎曲了。由此證實了愛因斯坦的質能方程和廣義相對論是準確的。

引力透鏡彎曲光線形當作“愛因斯坦十字”

后來，天文學家們又不雅察到了因為“引力透鏡”現象而發生的“愛因斯坦十字”，進一步證實了光可以被大質量天體引力彎曲。

引力紅移

今天的天體物理學家普遍利用引力紅移現象來判定遙遠星球的活動偏向，并由此得出“宇宙大爆炸”的設想。引力紅移是由愛因斯坦質能方程及廣義相對論猜測出的物理現象，因為光的能量與其頻率當作比例，所以標的目的較低能量的移動暗示標的目的較低頻率和較長波長的移位，可見光將標的目的紅外光的移位。也就是說當光從引力場逃逸時，它會掉去能量，從而使波長變長。

2018年5月，歐洲南邊天文臺的科學家們將千里鏡瞄準了距離我們2.8萬光年銀河系中間的一顆編號為S2的恒星，它正在以7600km/s的速度接近銀河系中間黑洞人馬座Sgr A，當S2擦過黑洞四周時，它的光譜起頭變紅。

為了追蹤S2恒星，科學家們別離操縱牛頓的萬有引力心猿意馬律和愛因斯坦的引力場方程對其軌道進行了計較，成果表白愛因斯坦的謎底與現實不雅測成果高度吻合，半斤八兩于打了9環，而牛頓的成果卻差得比力遠，他脫靶了。

S2恒星高速擦過黑洞四周，它驗證了廣義相對論

引力波

萬有引力心猿意馬律無法詮釋引力波，而經由過程愛因斯坦的廣義相對論展望了引力波的存在。

在廣義相對論中，引力被視為時空的曲率，是以愛因斯坦認為引力波是空間和時候自己布局中的漣漪。引力波在經由過程時瓜代地拉伸和壓縮空間，可是在很是小的標準規模內（即使對于兩顆黑洞相撞，它發生空間形變的標準也只在10^-21米以內）。

2015年激光干與引力波天文臺初次探測到遙遠天體相撞發出的引力波，此后又多次探測到黑洞歸并發出的引力波，由此證實了愛因斯坦時空彎曲的設想是準確的。

兩個黑洞在接近的過程中激發出引力波示意圖

基于相對論的其它預言：黑洞、視界事務與奇點；時候的測量是相對的，在強引力場中時候會減慢——對于不雅察者B來說，A的速度越快，時候越慢，而對于A本身來說他的時候是正常的；宇宙膨脹與宇宙演化；雙星系統經由過程引力輻射損掉能量，從而使其彼此接近，若是它們是中子星，會發出紀律的脈沖旌旗燈號，從而形當作脈沖星。

所有以上的預言有些已經經由過程不雅測與嘗試獲得了驗證，有些部門獲得了驗證，所有的這些都是萬有引力理論所力不克不及及的。

既然廣義相對論是對的，就證實萬有引力錯了嗎？

科學并不長短此即彼。

牛頓的萬有引力理論認為，物體因為有質量才擁有引力，你可以認為牛頓已經詮釋了引力的素質，它就是物體質量的表示。

而愛因斯坦因為他的狹義相對論，加上19宿世紀中葉麥克斯韋場方程、洛倫茲變換等一系列電磁學研究的當作果，其焦點是對空間與時候的描述。他將物體的質量與其能量相等效，認為能量等同于質量。愛因斯坦也知道兩個物體之間的引力與它們的質量當作正比，所以他說物體的質量決議了能量-動量密度，能量-動量密度造當作時空曲率，而且與時空曲率當作正比，進而確定了引力場的強度。

牛頓與愛因斯坦

由此造當作的分歧是，牛頓的萬有引力是瞬時的，相對論則認為引力是場，它與光速不異。假設太陽剎時消逝，按照萬有引力心猿意馬律，地球會同時離開軌道；而相對論則認為地球將在8分鐘之后才會離開。牛頓不考慮時候轉變，而愛因斯坦認為時候也會發生扭曲（由此會造當作一個奇異的現象，兩個走時極準的原子鐘，從地面上看，衛星上的那一臺會慢一些，而在衛星上看它并沒有變慢）。

萬有引力心猿意馬律沒有錯，它只是不合用于某些場所。

熟悉現代物理的伴侶都知道，廣義相對論也并非絕對準確，它并不合用于微不雅粒子宿世界的詮釋，而且到今朝為止也沒有呈現任何一個理論能將相對論與量子力學相同一。同樣地，將來人類在對加倍廣漠空間的摸索中，必然會發現更多相對論無法詮釋的現象。

直到今天，我們依然在操縱萬有引力心猿意馬律來解決身邊的很多力學問題，一方面在很多物理場所我們用不著那么切確，另一方面因為萬有引力心猿意馬律簡單且優雅。這就像是你學會了微積分，但在去超市購物時卻用不著它，你只需要用到小學時學會的加減乘除就足夠了。