在經(jīng)典力學(xué)中，“引力”又稱為“引力相互作用”，指具有質(zhì)量的物體之間加速靠近的趨勢，是由于物體具有質(zhì)量，在物體之間產(chǎn)生的相互作用，也是自然界四大基本相互作用之一。
引力理論是物理學(xué)最早涉及的領(lǐng)域之一。伽利略·伽利萊著名的“落體實驗”研究了地球表面附近接近均勻的引力場；約翰尼斯·開普勒總結(jié)出了行星運動三大定律；牛頓用萬有引力對地面附近物體下落和天上星體的運動這樣表面上完全不同的現(xiàn)象作出了統(tǒng)一的解釋。牛頓認(rèn)為，引力是“任意兩個物體或兩個粒子間的與其質(zhì)量乘積相關(guān)的吸引力，是自然界中最普遍的力”。
1916年，阿爾伯特·愛因斯坦在狹義相對論的基礎(chǔ)上對艾薩克·牛頓的引力理論進行改造，創(chuàng)立了廣義相對論。愛因斯坦提出，引力的本質(zhì)不是“力”，而是時空“扭曲”的一種效應(yīng)。
近些年來，以規(guī)范場概念為基礎(chǔ)的引力規(guī)范理論和超引力理論又將引力的研究推進到新的階段。
詞源
《墨經(jīng)》經(jīng)下28所說的：“絲絕，引也。”這是在用“引”描述一種現(xiàn)象：用繩子懸掛一塊石頭，繩子斷了石頭下落。因為“引”具有“吸引”“引導(dǎo)”之意。雖然很難判斷當(dāng)時的人們是否已經(jīng)建立了關(guān)于引力的概念，但“引力”一詞的中文表述很可能就是出自于此。現(xiàn)代英語和現(xiàn)代法語中“引力”一詞均為gravitation，這個詞出現(xiàn)在17世紀(jì)，來源于拉丁文gravitas，原本是“重量”的意思，這樣就可以認(rèn)為，無論是在古代中國還是在古代西方，人們都是通過重量來認(rèn)識引力的。
概念
萬有引力
引力的概念自牛頓1666年提出以來，一直是神秘莫測的。盡管牛頓認(rèn)為引力雖弱，但是普遍存在于萬物之間。引力與其他形式的“力”一樣，也是相互吸引的力，“蘋果落地”就是萬有引力發(fā)揮作用的例子。地球上的萬物沒有飛離地球，而是被牢牢地吸附在地球上，也是因為有了引力的存在。宇宙中存在的大質(zhì)量天體之間的相互吸引也是萬有引力之間的作用。故而，引力的定義就是“任意兩個物體或兩個粒子間的與其質(zhì)量乘積相關(guān)的吸引力，是自然界中最普遍的力”。也就是說，牛頓認(rèn)為引力與質(zhì)量有關(guān)，是所有物質(zhì)的基本特征。
廣義相對論
1915年11月25日，阿爾伯特·愛因斯坦成功地建立了引力理論——廣義相對論。晚于戴維·希爾伯特5天，寫出了引力場方程。愛因斯坦首次提出，引力的本質(zhì)不是“力”，而是時空“扭曲”的一種效應(yīng)。天體之間的運動就是由于天體周圍強大的引力場對其周邊時空的扭曲造成的，而不是像拔河一樣的拉扯。物理學(xué)上著名的鐘慢效應(yīng)是時間彎曲的例證。而遙遠(yuǎn)恒星的光芒在經(jīng)過太陽附近時會改變方向，使得人們看到的恒星位置與其本來的位置出現(xiàn)極大的偏差，這就是引力透鏡效應(yīng)，這個效應(yīng)就是空間彎曲的例證。
萬有引力與廣義相對論的關(guān)系
牛頓力學(xué)和廣義相對論是對于引力的兩種截然不同的解釋，各有其正確成分在內(nèi)。牛頓萬有引力可以解釋比如地月引力引起的海洋潮汐等現(xiàn)象。使用萬有引力公式去計算地月以及地日之間的引力關(guān)系，可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。但當(dāng)人們企圖用萬有引力公式去計算位于超大質(zhì)量天體附近的星體運行軌道時，發(fā)現(xiàn)得出的結(jié)果與實際觀測結(jié)果相距太遠(yuǎn)。萬有引力公式無法計算出的星體運動軌跡，可以通過阿爾伯特·愛因斯坦的重力場方程得到精準(zhǔn)的答案。廣義相對論認(rèn)為，有引力的物體都擁有能量，有質(zhì)量的物體隨著運動速度的提升會產(chǎn)生慣性質(zhì)量，進而導(dǎo)致引力的增加以及能量的放大，而能量會導(dǎo)致時空發(fā)生彎曲。牛頓力學(xué)將萬有引力與質(zhì)量密切結(jié)合了起來，只要有質(zhì)量，就會有引力。嚴(yán)格意義上講，廣義相對論并不是對萬有引力的顛覆，而應(yīng)該稱其為一種發(fā)展。
簡史
古代世界
對于萬有引力的發(fā)現(xiàn)，許多科學(xué)家都做出了貢獻。引力的概念古已有之，古希臘哲學(xué)家亞里士多（亞里士多德）的著作《物理學(xué)》（Physics）一直在歐洲科學(xué)界發(fā)揮著舉足輕重的作用，他把引力解釋為物體朝向它們“在宇宙中正確的位置”移動的趨勢。他認(rèn)為這一正確的位置取決于物質(zhì)的組成成分，準(zhǔn)確地說就是取決于物質(zhì)中四大元素——土、水、氣和火各自所占的比例。亞里士多德提出，主要由土和水構(gòu)成的物體應(yīng)當(dāng)朝著宇宙中心運動。對他來說，地球就是宇宙中心。因此當(dāng)人們把由土構(gòu)成的物體扔出去時，它就會落向地面。至于水，他認(rèn)為由于土?xí)寥胨祝运韧烈p，因此所有的水都存在于土的表面。同樣，由于泡泡浮在水上，故空氣比水輕，那么空氣的自然位置在水上方，火的自然位置則在空氣上方。基于當(dāng)時人們對物質(zhì)的構(gòu)成元素的理解，這一體系從邏輯上給眼前的世界劃分了層次。利用它，人們甚至可以描述物體下落時的加速度。亞里士多德提出：物體下落的加速度和它們的質(zhì)量成正比，和它們下落時穿過的介質(zhì)的密度成反比。也就是說，亞里士多德認(rèn)為2千克物體下落時的加速度是1千克物體下落時的兩倍。著名天文學(xué)家尼古拉·哥白尼認(rèn)為，引力是物質(zhì)的一種集聚的趨向，物質(zhì)在任何地點都會聚集成球狀，而不一定是在宇宙中心，引力的中心在物質(zhì)的球心。
近代研究
1600年，科爾切斯特的威廉·吉爾伯特提出磁力是維持太陽系運行的引力，他根據(jù)磁石實驗，將地球視為一塊磁石，引力就是地球這塊大磁石對各種物體的磁力。法國17世紀(jì)的哲學(xué)家及數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·笛卡爾認(rèn)為，物質(zhì)之間并不存在可以穿越空間而起作用的引力，空間充滿了物質(zhì)，在石子落地的運動過程中石子并不是“自由”落體，石子落地是由于存在著包圍地球表面的物質(zhì)旋渦，也正是由于這種旋渦使天體沿圓周軌道運動而不是沿直線運動。
1669年，荷蘭的克利斯提安·克里斯蒂安·惠更斯作了一項實驗他將碗里的水?dāng)嚦尚郎u，碗內(nèi)的卵石都被沖到碗底的旋渦中心，惠更斯由此認(rèn)為引力是包圍著地球的“以太”的旋渦，這樣似乎也證明了笛卡爾的說法。這一說法在當(dāng)時產(chǎn)生了一定的影響，以致使人們不再重視引力的研究。倫敦皇家自然知識促進學(xué)會的干本羅伯特·羅伯特·胡克相信引力與威廉·吉爾伯特所研究的磁力類似，由于吉爾伯特已經(jīng)證明了磁力的大小與物體間的距離的大小有關(guān)，因而虎克認(rèn)為引力同樣與物質(zhì)間的距離有關(guān)。為了證明他的設(shè)想虎克做了一些實驗，他把物體在深井中的重量與在地面及高山頂?shù)闹亓窟M行比較，但他的實驗并沒有什么結(jié)果。
萬有引力定律
據(jù)一些文獻記載，牛頓對萬有引力的猜測可以追溯到1666年，由于當(dāng)時癌疫流行，牛頓離開劍橋大學(xué)在沃爾斯索普隱居。據(jù)說牛頓在沃爾斯索普的果園里看到蘋果落地，由此他想到引力問題，認(rèn)識到使蘋果落地的重力和使天體沿圓形閉合軌道運轉(zhuǎn)的力，具有相同的性質(zhì)。為了證明這一點，牛頓需要找出引力與距離的關(guān)系，并根據(jù)這一規(guī)律計算出月球的向心加速度，同時再根據(jù)月球圓周運動的速度計算出向心加速度。如果兩種計算所得結(jié)果一致，那么就證實了他的設(shè)想。在計算過程中牛頓推導(dǎo)出了平方反比定律，即引力與距離的平方成反比。在計算月球的實際向心加速度時需要知道地球的半徑，由于當(dāng)時尚無地球半徑的精確數(shù)值，因此計算結(jié)果產(chǎn)生了約為15%的偏差，這樣牛頓只好將他的研究暫時擱置起來。也有人認(rèn)為牛頓之所以沒有馬上發(fā)表他的計算是因為他當(dāng)時還不知如何確定離地球較近的物體與地球的有效距離，不知應(yīng)該用物體距地表的距離還是應(yīng)該用距地心的距離。直到1685年，牛頓終于證明了地球?qū)ξ矬w的吸引力相當(dāng)于地球的全部質(zhì)量集中于地心的一個質(zhì)點。
1687年艾薩克·牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)理》用拉丁文出版，這部著作被公認(rèn)為科技史上最偉大的著作。在這部著作中牛頓詳細(xì)而系統(tǒng)地闡明了萬有引力原理，并利用這一原理解釋了天體的運動規(guī)律和海水的潮汐運動等現(xiàn)象，這部著作奠定了天文學(xué)和宇宙學(xué)的思想基礎(chǔ)。這是關(guān)于引力的第一個真正的科學(xué)理論。與亞里士多德不同，牛頓并未嘗試解釋引力，而是量化了引力的效應(yīng)。牛頓引力定律最基本的要素是絕對時間和絕對空間，它們作為所有運動的“背景”存在。萬有引力瞬時地在宇宙中任意一對有質(zhì)量的物體之間傳遞——僅此而已。
根據(jù)牛頓的理論，所有物體在沒有外力作用的情況下都會以恒定的速度運動（這與亞里士多德的理解背道而馳）。如果有外力作用在物體上，這個力的效果會使物體加速。力越大，加速度越大；物體的質(zhì)量越大，要得到相同加速度所需的力就越大。在這一理論體系下，引力不過是外力的一種，它的效果是把有質(zhì)量的物體拉到一起。牛頓推斷：兩個物體之間的引力一定與它們的質(zhì)量成正比，并與它們之間距離的平方成反比。也就是說，兩個有質(zhì)量的物體之間的引力遵從如下公式：
其中和分別是兩個物體的質(zhì)量，是它們之間的距離。這一簡單的方程再加上牛頓運動定律，對估計大多數(shù)天體和地球上的物體的運動而言已經(jīng)足夠。
引力與相對論
1907年，阿爾伯特·愛因斯坦提出等效原理，他從慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的實驗事實出發(fā)，認(rèn)為慣性力和引力完全等效，他試圖把慣性運動和慣性系之間的相對性原理，推廣到包括加速運動和加速參考系在內(nèi)的任意參考系，提出廣義相對性原理。
1912年至1914年，愛因斯坦與他的瑞士德國朋友馬塞爾·格羅斯曼合作，將非歐幾里得幾何應(yīng)用于時空概念，將引力描述為大塊物體附近時空幾何的變形。這一成果從概念上講簡化了引力，因為不再需要用距離力或作用力來進行描述。但與此同時，描述引力的數(shù)學(xué)程序卻變得更加復(fù)雜。
1915年，和大數(shù)學(xué)家戴維·希爾伯特幾乎同時得到后來公認(rèn)的愛因斯坦-希爾伯特引力場方程，建立了廣義相對論這一劃時代理論。解釋了水星近日點的剩余進動。這個理論還預(yù)言經(jīng)過太陽附近引力會使譜線向紅端移動等。1919年，英國天文學(xué)家亞瑟·埃丁頓等的日全食觀測結(jié)果證實了光線偏折預(yù)言。愛因斯坦和相對論超越了艾薩克·牛頓理論。
數(shù)學(xué)模型
萬有引力定律
宇宙間的任何兩個物體都存在相互吸引的力，這種力被稱為萬有引力。對于兩個相距為，質(zhì)量分別為、的質(zhì)點，其萬有引力大小與它們質(zhì)量的乘積成正比，與它們間距的平方成反比，力的方向沿它們的連線方向，這就是萬有引力定律。其數(shù)學(xué)表達式為：
式中，為引力常量，根據(jù)CODATA基礎(chǔ)物理常數(shù)推薦值2014版，其數(shù)值為
萬有引力定律的公式適用于質(zhì)點，但是計算結(jié)果表明，兩個質(zhì)量分布均勻的球體之間，或者質(zhì)量分布為球?qū)ΨQ的物體對質(zhì)點的萬有引力也可以直接用式計算，其中，為兩個物體中心的間距。
地球質(zhì)量為，某個質(zhì)量為的質(zhì)點，與地球球心間距為，則質(zhì)點受到地球的萬有引力大小為：
愛因斯坦場方程
用愛因斯坦-希爾伯特作用量描述引力：
這里是彎曲時空的度規(guī)的行列式，是曲率標(biāo)量，是牛頓常數(shù)。黎曼曲率張量為：
是從黎曼-克里斯托費爾符號構(gòu)造而來的：
里奇張量的定義是，曲率標(biāo)量是，通過對做變分可以得到愛因斯坦場方程：
實驗觀測
水星近日點進動
1859年，天文學(xué)家勒維利埃發(fā)現(xiàn)水星近日點進動的觀測值，比根據(jù)牛頓定律計算的理論值每百年快38角秒。他猜想可能在水星以內(nèi)還有一顆小行星，這顆小行星對水星的引力導(dǎo)致兩者的偏差。可是經(jīng)過多年的搜索，始終沒有找到這顆小行星。1882年，紐康姆經(jīng)過重新計算，得出水星近日點的多余進動值為每百年43角秒。他提出，有可能是水星因發(fā)出黃道光的彌漫物質(zhì)使水星的運動受到阻尼，但這又不能解釋為什么其他幾顆行星也有類似的多余進動，紐康姆于是懷疑引力是否服從平方反比定律，后來還有人用電磁理論來解釋水星近日點進動的反常現(xiàn)象，都未獲成功。
與牛頓的絕對時空不同的是，廣義相對論認(rèn)為引力是物體周圍時空彎曲產(chǎn)生，即使是光子經(jīng)過一些大質(zhì)量的天體時，它的路線也是彎曲的，這源于大質(zhì)量物體所形成的彎曲時空，光子的運動路線是按照空間最短距離運動的。在太陽系中，行星是在由太陽質(zhì)量所彎曲的時空中自由運動。它們的軌道是測地線，而由太陽質(zhì)量所彎曲的時空連續(xù)體的測地線并不是嚴(yán)格的橢圓或雙曲線，軌線的軸會隨時間而緩慢進動。1915年，阿爾伯特·愛因斯坦根據(jù)廣義相對論，對水星的進動提出了公式并進行了計算，得出水星近日點的多余進動值每百年43.03秒，這與觀測值十分接近，反過來成為對廣義相對論的最有力的驗證之一。
物質(zhì)的引力使光線發(fā)生彎曲
愛因斯坦通過計算發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的質(zhì)量越大，引力越強，引力越強，空間彎曲得越厲害，也就是說在大質(zhì)量天體附近的時空會發(fā)生畸變，那么光線經(jīng)過大質(zhì)量天體附近時也應(yīng)該會發(fā)生彎曲。如果在觀測者到光源的直線上有一個大質(zhì)量的天體，則觀測者會看到由于光線彎曲而形成的一個或多個扭曲的天體像，這個現(xiàn)象與透鏡產(chǎn)生的現(xiàn)象類似，故被稱為引力透鏡現(xiàn)象。據(jù)此就可以根據(jù)光線彎曲的程度研究中間作為“透鏡”的引力場的性質(zhì)了。
1911年阿爾伯特·愛因斯坦在《引力對光傳播的影響》一文中討論了光線經(jīng)過太陽附近時由于太陽引力的作用會產(chǎn)生彎曲，并且指出這一現(xiàn)象可以在日全食進行觀測。1916年愛因斯坦根據(jù)完整的廣義相對論方程對光線在引力場中的彎曲做了計算，指出光線的偏角為：，其中為太陽半徑，為光線到太陽中心的距離。
1919年日全食期間，倫敦皇家自然知識促進學(xué)會和英國皇家天文學(xué)會派出了由亞瑟·埃丁頓等人率領(lǐng)的兩支觀測隊分赴西非幾內(nèi)亞灣的普林西比島和巴西的索布臘兒爾兩地觀測。經(jīng)過比較，兩地的觀測結(jié)果分別為和，把當(dāng)時測到的偏角數(shù)據(jù)跟阿爾伯特·愛因斯坦的理論預(yù)期比較，基本相符，由此證實了愛因斯坦的預(yù)言，這是最早證明廣義相對論的實驗。
引力紅移
當(dāng)發(fā)生相對運動的兩個物體之間的距離相互遠(yuǎn)離時，在它們之間傳播的電磁波的頻率會變低，光譜線的這種位移稱為紅移，廣義相對論指出，在強引力場中時鐘要走得慢些，當(dāng)從遠(yuǎn)離引力場的地方觀測時，處在引力場中的輻射源發(fā)射出來的譜線，其波長會變長一些，也就是紅移。因此從巨大質(zhì)量的星體表面發(fā)射到地球上的光線，會向光譜的紅端移動。只有在引力場特別強的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測出來。1925年，美國威爾遜山天文臺的亞當(dāng)斯觀測了天狼星的伴星天狼A，這顆伴星是所謂的白矮星，其密度比鉑大2000倍。觀測它發(fā)出的譜線，得到的頻移與廣義相對論的預(yù)期基本相符。1958年，穆斯堡爾效應(yīng)得到發(fā)現(xiàn)，用這個效應(yīng)可以測到分辨率極高的y射線共振吸收。1959年，龐德和雷布卡首先提出了運用穆斯堡爾效應(yīng)檢測引力頻移的方案，接著他們成功地進行了實驗，得到的結(jié)果與理論值相差約百分之五。
黑洞
如果把宇宙空間想象成一張細(xì)密的有彈性的網(wǎng)，任何有質(zhì)量的物體就像一個球放在這張網(wǎng)上，這個球質(zhì)量越大，體積越小，則在這張網(wǎng)上下陷得也越深。剛開始只是像一個小小的凹陷坑，但是隨著下陷的深度越來越深，就會越來越像一個空間中的“洞”，任何掉進這個洞里面的東西想要出來，就必須要達到一個能逃出來的最低速度，這個速度稱為逃逸速度。地球也會在宇宙空間中形成一個“洞”，不過地球質(zhì)量很小，從地球上逃逸出去的速度是11.2km/s，又稱為第一宇宙速度。在計算的時候知道逃逸速度的值取決于天體的質(zhì)量和半徑這兩個參數(shù)。科學(xué)家們通過計算發(fā)現(xiàn)，有可能存在一種很深的“洞”，它的逃逸速度比光速還要大，那也就是說沒有任何東西能從這個洞里面逃出來了，如果真有這樣的洞存在，那么這個洞永遠(yuǎn)是只進不出。
1916年，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過計算得到了阿爾伯特·愛因斯坦引力場方程的一個真空解。這個解表明，如果將大量物質(zhì)集中于空間某一位置，即高密度天體，其周圍會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在天體周圍存在一個界面——“視界”，一旦進入這個界面，即使光也無法逃脫，這種“不可思議的天體”被美國物理學(xué)家約翰·惠勒命名為“黑洞”。德國天體物理學(xué)家史瓦西通過計算發(fā)現(xiàn)，任何天體都存在一個半徑臨界值，如果小于這個半徑，那么它在宇宙空間這張網(wǎng)上摳出的這個洞就會成為一個名副其實的“黑洞”他認(rèn)為，如果太陽的半徑縮小到3km的話，那么太陽就會成為一個黑洞，什么光也發(fā)不出來；如果把地球壓縮到半徑只有9mm的話，那么地球也可以變成一個黑洞；任何物體只要有質(zhì)量，壓縮到視界半徑以內(nèi)，都會成為一個黑洞。
黑洞無法直接觀測，但可以借由間接方式得知其存在與質(zhì)量，并且觀測到它對其他事物的影響。天文學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)，在黑洞周空間中，氣體物質(zhì)具有超高的溫度，并且在被黑洞強大引力場吸引而速度劇烈加速提升到接近光速，而當(dāng)氣體物質(zhì)被黑洞徹底吞后，整個過程都會釋放出大量的X-射線，通常正是這些逃逸出來的X-射線，顯示出此處有黑洞確實存在的跡象，這便是以往人們發(fā)現(xiàn)黑洞的最直接證據(jù)，推測出黑洞的存在也可借由間接觀測恒星或星際云氣團繞行軌跡取得位置以及質(zhì)量。
相關(guān)概念
引力子
引力子是科學(xué)家假想出來的一種微觀粒子，目的是為了連接引力和量子理論。兩個物體之間的引力可以歸結(jié)為構(gòu)成這兩個物體的粒子之間的引力子交換為了傳遞引力，引力子必須永遠(yuǎn)相吸、作用范圍無限遠(yuǎn)及以無限多的形態(tài)出現(xiàn)引力子預(yù)計是無質(zhì)量的，和光子一樣以光速傳播，自旋是2，屬于波色子。但是，如果存在引力子，那引力子也很難被發(fā)現(xiàn)。因為，它實在是太微弱了，比電子與質(zhì)子之間的電磁力還要弱2.27x1039倍。
阿爾伯特·愛因斯坦說引力場可以扭曲時空，形成引力波，引力是靠引力波傳播的，而引力波則是由引力子組成的。波粒二象性證明，有了波肯定就有粒子，引力波中的粒子就是引力子。這句話聽著很合理，但是到底是否存在引力子還不可知，探測到引力子目前來說還是一個遙不可及的愿景。
引力坍縮
引力坍縮是天體物理學(xué)上恒星或星際物質(zhì)在自身物質(zhì)的引力作用下向內(nèi)塌陷的過程，產(chǎn)生這種情況的原因是恒星本身不能提供足夠的壓力以平衡自身的引力，從而無法繼續(xù)維持原有的流體靜力學(xué)平衡，引力使恒星物質(zhì)彼此拉近而產(chǎn)生坍縮。在天文學(xué)中，恒星形成或衰亡的過程都會經(jīng)歷相應(yīng)的引力坍縮。在引力坍縮過程中，恒星中心部分形成致密星，并可能伴有大量的能量釋放和物質(zhì)的拋射。不同質(zhì)量的恒星，在引力坍縮后有可能形成各種不同類型的致密星。
至今，人們對引力坍縮在理論基礎(chǔ)上還不十分了解，很多細(xì)節(jié)仍然沒有得到理論上的完善闡釋。由于在引力坍縮中很有可能伴隨著引力波的釋放，通過對引力坍縮進行計算機數(shù)值模擬以預(yù)測其釋放的引力波波形是當(dāng)前引力波天文學(xué)界研究的課題之一。
引力波
阿爾伯特·愛因斯坦從廣義相對論的場方程推導(dǎo)出了由源的質(zhì)量四極矩隨時間的變化引起的引力輻射項，并且這種引力輻射攜帶能量。這種引力輻射項后來被稱為引力波。但引力波到底是一種物理實在還是僅僅是數(shù)學(xué)上的形式，大家都不清楚。愛丁頓爵士1922年表示：引力波的本質(zhì)只是數(shù)學(xué)坐標(biāo)的波動，并沒有實際的物理意義。簡單地說，引力波并不真實存在。愛因斯坦對引力波是否存在也遲疑不定，1936年6月和11月先后表示“引力波不存在”以及“引波存在”的互相矛盾的表示，他認(rèn)為引力波很微弱，難以探測。1957年，理查德·費曼提出了“黏珠思想實驗，物理學(xué)界才達成共識，引力波確實存在，是一種物理實在。在宇宙誕生的第一個馬克斯·普朗克時間內(nèi)，引力就誕生了，從這一刻開始引刃就開始發(fā)揮作用，而此時的引力對于時空的擾動，可以說是空前絕后的，但由于宇宙的膨脹也會將引力波的傳遞無限拉伸。
形象地說，根據(jù)廣義相對論，引力波是指宇宙中時空彎曲造成的漣，與平靜的水面泛起的漣漪類似。這種時空彎曲是因為質(zhì)量的存在而導(dǎo)致的。通常而言，在一個給定的體積內(nèi)，包含的質(zhì)量越大，那么在這個體積邊界處所導(dǎo)致的時空曲率越大。當(dāng)一個有質(zhì)量的物體在時空當(dāng)中運動的時候，曲率變化反映了這些物體的位置變化。在某些特定環(huán)境之下，加速物體能夠?qū)@個曲率產(chǎn)生影響，并且能夠以波的形式向外以光速傳播，這種傳播現(xiàn)象被稱之為引力波引力波以引力輻射的形式傳輸能量，其強度與波源之間的距離成反比；引力波的存在是廣義相對論亨德里克·洛倫茲不變性的結(jié)果，因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念。
引力波的主要性質(zhì)是：它是橫波，在遠(yuǎn)源處為平面波：有兩個獨立的偏振態(tài)；攜帶能量；在真空中以光速傳播等。此外，引力波還有兩個非常重要而且比較獨特的性質(zhì)。第一，不需要任何的物質(zhì)而存在于引力波源周圍；第二，引力波能夠不受阻擋地穿過行進途中的天體。這兩個特征允許引力波攜帶有更多的之前從未被觀測過的天文現(xiàn)象信息。既然引力波攜帶能量，應(yīng)該可以被探測到。但引力波的強度很弱，而且物質(zhì)對引力波的吸收效率極低，直接探測引力波極為困難。理論上，雙星體系公轉(zhuǎn)中子星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)，及理論預(yù)言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質(zhì)等過程都能輻射較強的引力波。
挑戰(zhàn)與局限
盡管萬有引力在解釋行星運行上取得了成功，但是它在太陽系以外并沒有得到實驗的驗證。另外，多年以來，在自然界呈現(xiàn)的許多異常現(xiàn)象都使萬有引力理論受到質(zhì)疑。下面列舉三個例子來說明。
宇宙加速膨脹
近些年發(fā)現(xiàn)的宇宙加速膨脹是“萬有引力”無法解釋的根據(jù)傳統(tǒng)的大爆炸理論，宇宙因為大爆炸而膨脹，宇宙膨脹因為星系間的引力會逐漸減慢。但是1998年科學(xué)家通過觀測卻發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹不是在減慢，而是在加快。這些發(fā)現(xiàn)震動了科學(xué)界，科學(xué)家不得不人為引進暗能量的概念，認(rèn)為正是這種神秘暗能量的推動使得宇宙加速膨脹。
萬有引力常數(shù)異常
萬有引力常數(shù)是物理學(xué)中除光速外研究得最早的物理常數(shù)。然而長期以來，萬有引力常數(shù)卻是測量精度最差的一個物理常數(shù)。有科學(xué)家聲稱在不同地點測量到的萬有引力常數(shù)各不相同，磁場越強，引力常數(shù)越大，地球上萬有引力常數(shù)在南北兩磁極達到最大，是由隱藏著的另外空間維度導(dǎo)致的，萬有引力常數(shù)受到地球磁場的影響。當(dāng)然，這一結(jié)論還未被證實。
重力異常現(xiàn)象
相同的物體在相同緯度、相同平均海拔而經(jīng)度不同的地方顯示的重量不同，這就是一種重力異常現(xiàn)象。早在1953年巴黎大學(xué)的科學(xué)家阿勒就發(fā)現(xiàn)了這樣的情況，由于無法用牛頓萬有引力和阿爾伯特·愛因斯坦的引力理論加以解釋，所以一直被稱為“重力異常”之謎。牛頓的萬有引力概念和量化一直持續(xù)到20世紀(jì)初，直到相對論證明了其在超距作用上的觀點站不住腳了之后。在廣義相對論中，誕生于德國的物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦對萬有引力進行了全新的解釋。愛因斯坦認(rèn)為：引力實際上是時空中的物質(zhì)所引起的時空彎曲，就好比一張網(wǎng)上放上一個鐵球后，這個鐵球會引起網(wǎng)發(fā)生的變化一樣。愛因斯坦雖然提出了新的引力場方程，但他仍然在他的引力場方程中直接使用了牛頓的引力常數(shù)。如果沒有這個常數(shù)的話，阿爾伯特·愛因斯坦是無法推導(dǎo)出他的引力場方程的。僅從這一點就可以看出愛因斯坦關(guān)于引力場的理論是對牛頓萬有引力理論的拓展，并不是一個完全獨立的引力理論。
參考資料 >
CODATA概況.CODATA.2024-11-28