為什麼會產生引力？

我們對引力再熟悉不過，東西掉到地上，物體被束縛在地球表面，地球繞著太陽公轉，都是引力在起作用。那麼，我們現在對引力的了解有多少，引力究竟是什麼呢？

引力是自然界中已知存在的四種基本力之一，另外三種分別是主宰電、磁和光的電磁力，以及在原子核中的微小距離內起作用的強、弱核力。在這四種基本力中，引力是最弱的一個。一塊磁鐵很容易把一根針從桌上吸引上來，即使整個地球的質量都在把針往下拉。

從牛頓時代開始，我們對引力的認識就一直在進化，直到現在依然如此。每次對引力的認識有了突破，我們就會更加深入地認識宇宙。

牛頓的萬有引力定律

在1666年，年僅23歲的牛頓從劍橋大學回到鄉下的家中躲避瘟疫。在某一個下午，牛頓看到蘋果掉下來了，他陷入了沉思之中。牛頓並不是第一個注意到蘋果從樹上掉下來的人，但當他從數學上證明把蘋果吸引到地球上的引力一定與太陽束縛地球的引力相同之時，一個偉大的理論就誕生了。

在牛頓看來，萬物之間都存在引力作用，其強度正比於質量乘積，反比於距離平方，這就是萬有引力定律。物體的質量越大，引力作用就越強。物體之間的距離越遠，引力作用就越弱。無論是地球上的物體，還是宇宙中的天體，它們之間都被引力束縛住。

萬有引力定律的局限

根據牛頓的萬有引力定律，一切物體之間都會產生引力，無論它們之間的距離有多遠。然而，引力的概念也讓牛頓感到困擾，引力究竟是如何在真空中起作用的？引力的傳播速度又有多快？

直到生命的盡頭，牛頓一直在說，「也許有一天，我們會發現產生引力效果的機制」。

雖然萬有引力定律取得了很大的成功，但隨著觀測技術的進步，這個理論逐漸暴露出了一些更為棘手的問題。天文學家發現，水星近日點的實際進動值與萬有引力定律的預言存在差異，這意味著萬有引力定律存在局限性。

愛因斯坦：引力是時空彎曲

200多年後，愛因斯坦解開了引力如何在真空中起作用之謎，他創立的廣義相對論以一種全新的方式來描述引力。牛頓認為引力是一種力，而愛因斯坦認為引力是空間本身彎曲之後產生的幾何效應。

愛因斯坦認為，完全真空的空間是平坦的。但在有質量物體的作用下，平坦的空間會被彎曲。物體在彎曲空間中會沿著測地線運動，由此將會出現引力效應。並且質量和能量越大，空間曲率越大，引力效應越強。

愛因斯坦的廣義相對論不但解釋了已知的引力現象，並且還預言了未知的引力現象，例如，引力時間膨脹、引力紅移、引力透鏡、引力波，它們最終都得到了現代天文學的觀測證實。廣義相對論還表明，引力的傳播速度剛好就是光速，這在引力波探測中得到證實。

牛頓錯了嗎？

牛頓的萬有引力定律沒有錯，只是這個理論具有局限性，它只適用於弱引力場的情況。而在強引力場中，廣義相對論可以對引力現象做出準確描述。從數學上可以證明，牛頓的引力理論是廣義相對論在弱引力場情況下的近似理論。

在大多數情況下，物理學家還是像牛頓當年那樣，把引力看作是一種力。即便是火箭發射這樣精度要求很高的情況，牛頓的理論也足夠用了。

引力的未來

雖然廣義相對論在天文學和宇宙學中取得最大的成功，但它可能並不是終極的引力理論。這是因為廣義相對論至今未能與量子力學相調和，引力無法與其他三種基本力相統一。

一直以來，物理學家不斷嘗試結合廣義相對論和量子力學。如果最終能夠得到量子引力理論，我們對宇宙的認識將會有一個全新的飛躍，諸如奇點等難題都將迎刃而解。

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