解说者:什么是重力?

我们很少去想它，但是重力定义了我们如何与世界互动。我们在它的约束下成长，我们的肌肉、平衡系统、心脏和血管都依赖它。它确实让我们止步不前——但是到底是什么是重力吗?

重力:底漆

引力是支配宇宙的四种基本力之一，以及电磁力和强弱核力。力被定义为一种改变物体运动的相互作用，因此这四种力支撑着所有的物理学，定义了宇宙中一切事物如何相互作用——从星系的巨大宇宙相互作用到质子或中子内部夸克的紧密结合。

引力是这些力中最弱的，但它是我们认识时间最长的。几个世纪以来，我们知道我们的脚一直在地面上，行星一直在绕太阳运行的轨道上。甚至在引力被用数学方法描述之前，17世纪的天文学家和数学家约翰内斯·开普勒已经制定了精确的定律来预测行星的运动。

不幸的是，没有人知道行星为什么会绕轨道运行。

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牛顿的万有引力定律

艾萨克·牛顿登场了，他意识到在行星和太阳之间一定有一种力在起作用。(他还定义了什么是力。)不管苹果坠落是否真的激发了他的灵感，他提出的描述这种力行为的方程式是革命性的。

F＝通用汽车₁米₂/r²

这个方程说，重力是两个有质量的物体相互作用的力，因为它们有质量。力量的力量(F)与两个物体的质量成正比(米₁和米₂)除以两者距离的平方(r)G是测量力的基本强度的常数。

这可以归结为:物体质量越大，它们之间的引力就越大，但它们距离越远，引力就越弱。

想想与牛顿关于万有引力的启示有关的传说:一个苹果从树上掉下来。牛顿万有引力定律告诉我们，不仅地球在拽苹果，苹果也在拽地球。但是地球巨大的质量意味着它需要更多的力来移动它一个可观的量，所以苹果倒下来，而地球实际上保持静止。在更广泛的背景下也是如此。宇宙中的每一个物体都在吸引着其他的物体，但距离越近、质量越大的物体，其引力就越大。

通过代入几个数字，我们可以描述和预测地球上几乎所有的重力现象，以及行星、彗星和卫星的运动。它解释了为什么恒星会聚集成星系，以及为什么星系会聚集成星团。

但这个方程并不能完美地描述我们所看到的一切——例如，水星围绕太阳轨道的某些逐渐变化的大小。就像牛顿自己想的那样，一个力如何能在一个距离上瞬间起作用，即使是通过真空的空间?

引力和相对论

在牛顿的宇宙中，空间是一个平坦而空旷的地方，像恒星和行星这样的物体会在其中移动，但爱因斯坦采取了不同的方法。

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和他的前教授赫尔曼·闵可夫斯基(Hermann Minkowski)证明，空间和时间不是独立的实体，而是一个单一的四维连续体，这是20世纪最伟大的科学成就之一。他们想象它像织物一样在宇宙中伸展。

爱因斯坦认为，任何有质量的物体都会与时空结构相互作用并造成扭曲。一个经典的类比是，把时空想象成一个蹦床。一个保龄球放在中间会使织物弯曲，形成一个井。如果你在保龄球附近放下一颗弹珠，它会被拉向内，绕着井旋转，就像地球绕太阳旋转一样。

因此，爱因斯坦的广义相对论不仅将引力描述为一种力，还描述为一种几何——它是物质如何扭曲时空的结果。

与牛顿的理论不同，广义相对论通过考虑太阳质量引起的时空扰动，正确地描述了水星轨道的变化。

自从爱因斯坦在1915年发表他的理论以来，它已经获得了大量的观测证据来支持它。它正确地描述了围绕太阳和遥远的星系团的光的弯曲——因为质量使时空弯曲，当光快速掠过时，它沿着时空轮廓的路径前进。广义相对论也通过测量引力红移得到验证，正确地预测了恒星的引力如何拉伸它们光的频率。

最近最引人注目的是，引力波探测提供了确凿的证据，证明大质量物体不仅会扭曲时空，还会在两个物体(如黑洞)剧烈碰撞时产生涟漪。

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重力是一种基本力

尽管如此,依然神秘。引力可能是宇宙的基本力量之一，但目前它似乎与其他力量根本不相容。

甚至在爱因斯坦之前，物理学家们就在努力构建一个单一的理论，把宇宙的每个物理方面都联系起来，包括所有基本的力和粒子。“万有理论”将是物理学的最终成就。

虽然量子场论(QFT)成功地将电磁力和强、弱核力结合在一起，但它却难以将广义相对论包括在内。爱因斯坦花了他职业生涯的后半段时间试图弄清楚引力是如何作用的，但没有取得多大进展。

将这两个理论框架连接起来是一个开放的研究领域，跨越了量子引力、弦理论、M理论等领域。

这些尝试似乎与牛顿和他的苹果截然不同，但它是整个科学的微观世界:有时宇宙比最初想象的要复杂得多，也比最初想象的有趣得多。