引力是什麼?

亞里士多德

“引力”從古到今都是學者們關注的話題，每個時代都有個主流的看法。關於引力的探討來自於我們日常生活非常常見的，比如，你向前扔一塊石頭，於是你就會發現，石頭會呈現一個拋物線。

而且，很多東西都是往下掉的趨勢，比如：人跳起來後不會飄起，而是落回到地上。

這種現象對於古希臘哲學家，尤其是自然哲學家來說就很鬧心。所以，他們得給出一個合理的解釋，那具體咋解釋的呢？

亞里士多德總結了前人的成就之後，提出了這樣的觀點。

萬物是由水火土（地）氣構成的。水和土（地）都落向地面的趨勢，而火和氣有向上升的趨勢。

除了這樣的觀點之外，亞里士多德還說：

重的物體落到地面上的速度越快。

現代科學的起源

實際上，亞里士多德的研究雖然被我們後世的很多人看成了笑話，但是還是很有意義的，最起碼人家做了個實驗，也算是最早的關於“引力”的理論。除此之外，他還指了一條明路，那就是從物質的本源去出發，後來的“引力子”理論不得不說有點沿襲了亞里士多德“水火土氣”的思路。

而到了現代科學，首先對亞里士多德理論下手的人是伽利略。傳說他在比薩斜塔做了個自由落體實驗，實力打臉亞里士多德。

不過，這個傳說而已，實際上，伽利略做到是斜面實驗。

這個實驗告訴我們一個道理，

物體的慣性質量竟然等於引力質量。這後來也預示著引力其實和空間有關。

緊接著，牛頓沿著伽利略、開普勒等人的成就，提出了牛頓力學和萬有引力定律。牛頓的厲害之處在於，他把天上和地下的物理學進行了統一，在他之前，包括哥白尼在內的許多大神都認為天上是一套規則，地上是一套規則。牛頓還給出關於引力的萬有引力公式：

傳說（寫在了自然哲學的數學原理當中），牛頓想到萬有引力公式來自於一個思想實驗，他當時就在尋思，如果有個大炮，炮彈放置在空中，就會自由落體，這是因為地球的引力。

打出一個炮彈，理論上是平拋運動，

但是我們要知道的是地球是球形的，這說明地球的表面是彎曲的，只是地球特別大，所以我們才沒感覺到。但如果炮彈的速度足夠快，炮彈下降的幅度等於地面下降的弧度，那豈不是炮彈可以一直沿著地球轉了麼？

而天體的運動不正是符合了類似的規律？所以，實際上天體的運動和地球表面的運動是一回事。

除此之外，如果我們仔細看牛頓的萬有引力公式，其實這個公式已經描述出來引力和空間的關係，那就是1/r^2，

也就是引力和兩個物體之間的距離的平方成反比

。

所以，牛頓也得給出他對於時空的關係。我們都知道萬有引力公式並沒有時間量，只有空間量。因此，牛頓認為

萬有引力和時間沒有關係，它是超距作用，瞬間完成

。

而空間也和時間沒有關係，兩者是分立的。而且，他進一步給出自己的看法，他認為時間和空間是剛性的，對於任何人來說，一米就是一米，大家都一樣，一秒就是一秒，大家都一樣，無論是不是在運動，空間和時間都不會變化。這也被稱為

牛頓的絕對時空觀

。

所以，到了牛頓時代，人類描述清楚了萬物之間都存在引力，引力這會使得兩個物體之間相互吸引。但是，如果你問牛頓，引力的本質是什麼，他其實是答不上來的。

相對論

後來，愛因斯坦提出了狹義相對論，先是實力打臉牛頓的絕對時空觀。在狹義相對論中，愛因斯坦統一了空間和時間。他認為，

時間的間隔也就是（鐘的運動）和空間的長度（尺子的長短）都會因為運動而發生改變。

這也被叫做

鐘慢效應

和

尺縮效應

。後來，科學家透過μ子實驗也驗證了這一點。

因此，時間和空間在狹義相對論中稱為了一個物理量，叫做

時空

，並且和三維空間結合到一起，並稱為四維時空。

但是狹義相對論也有它的問題，因為

引力定律並不滿足任何參照系下都具有相同的形式

。而狹義相對論是在慣性系下建立起來的。因此，愛因斯坦做出了進一步的推廣，提出了廣義相對論，他認為

慣性力是適用於平直的四維時空。而引力的時空則是彎曲的四維時空。

換句話說，愛因斯坦對於引力的解釋和牛頓有本質上的不同，這個不同就是時空觀念上的不同。用惠勒的一句話來概括愛因斯坦的觀念就是：

物質告訴時空怎麼彎曲。時空告訴物質怎麼運動。

地球之所以繞著太陽轉，正是由於太陽彎曲了周圍的時空，地球沿著測地線在運動。而這裡的測地線就是彎曲空間中的“直線”，兩點之間最短的路徑。

而要描述四維時空，我們就需要用到黎曼幾何。

想要知道時空彎曲的程度，是需要用到愛因斯坦的引力場方程來確定的。

因此，這個時候的時空不再是單純的物質的“運動場”，同時彎曲的時空我們可以認為是引力場。

還拿太陽系來說，太陽其實就是引力場的源頭，它的質量產生了引力場。

愛因斯坦的廣義相對論，如今也是關於“引力”的主流理論，並且在後來被大量的觀測和實驗所驗證。其中愛丁頓在1919年透過觀測日全食時，太陽附近的光線彎曲最為轟動，讓愛因斯坦一戰封神。

而水星的近日點進動一直是牛頓的引力理論一直解決不好的問題，愛因斯坦廣義相對論則可以解決這個問題。

更不要說，後來科學家利用廣義相對論預言了黑洞和引力波的存在，這些都是理論先於觀測，堪比當年科學家利用萬有引力預測“海王星”的存在。

當然，除了廣義相對論，其實還有其他的引力理論，比如：“引力子”理論。但是這些理論在觀測和預測上，和實際情況相去甚遠，遠不如廣義相對論描述得準確。

不過，廣義相對論並非是完美無缺的，它也有自身巨大的問題，隨著科學家的深入研究，他們發現，在某些特定情況下，廣義相對論會使得時空出現奇點，在這個奇點處，引力場會失去意義。想要解決這個辦法就得將廣義相對論和量子場論進行結合，科學家也一直在致力於此。他們認為，這兩個理論的結合會是最終極的理論，也被稱為

萬有理論

。這也可能是引力理論的未來發展發現。

正如開頭所說的，每個時代都有一個主流的引力理論，如今我們的主流引力理論是廣義相對論，而未來呢？是萬有理論，還是超弦理論？我們目前還不得而知。但不斷髮展是科學的特質。關於，“引力”我們就聊到這裡。