从万有引力到广义相对论，什么才是引力的真面目？
科学信仰孙晨2019-05-24 09:25
恒星系、星系、星系团，宇宙间大大小小的系统都处于一种极度稳定的状态下有序运行，而这种极度有序的运行状态源于宇宙间存在的一种基本力，引力。
有趣的是，这种能够主导宇宙系统运行的力竟然是因为一个苹果而被人类所发现的。从那个苹果砸中牛顿的一刻开始，牛顿忽然意识到是重力在导致苹果下坠，而且不仅是大地，任何一个有质量的物体都具有引力，所以任何两个物体都会相互吸引，这就是万有引力。以牛顿的理论作为基础，经过了上百年的研究和测量，人类最终找到了万有引力常数G，于是我们拥有了万有引力公式。
万有引力公式为F=(Gxm1xm2)/r，在这个公式里，m为物体的质量，而r则为物体间的距离。万有引力公式很直观的告诉了我们一个事实，物体间的引力与两个物体的质量和距离是紧密相关的。
然而，万有引力理论存在着一个问题，它给了我们一个计算引力的公式，并能够帮助我们在现实中解决实际问题，可却没能弄清引力的本质到底是什么，引力到底是从何而来的？因为不清楚引力的本质，所以牛顿的万有引力公式其实是存在问题的。起初，人们使用万有引力公式去计算地月以及地日之间的引力关系，都得到了准确的结果。可当遭遇更为复杂的问题时，万有引力公式则给人们带来了困惑。
随着天文学的发展，人类能够观测到更为遥远的星空，当人们企图用万有引力公式去计算位于超大质量天体附近的星体运行轨道时，发现得出的结果与实际观测结果相距太远。
幸运的是此时我们已经有了一个更为接近真理的理论，广义相对论。广义相对论是由爱因斯坦所提出的，以广义相对论的观点来看，引力更像是一种几何效应，而非一种力，引力可以被看作是一种时空的曲率。广义相对论认为，有引力的物体都拥有能量，而能量会导致时空发生弯曲，所谓的时空弯曲又可以分为时间弯曲和空间弯曲。
时间弯曲是指有质量的物体随着运动速度的提升会产生惯性质量，进而导致引力的增加以及能量的放大，而能量会导致时间发生弯曲，所以运动速度越快的物体，其时间就越慢。
你可以利用一个高速运动的放射性衰变时钟来证实时间的弯曲，这就是物理学上著名的钟慢效应。而空间的弯曲则是大质量星体周围的空间因为强大的引力而出现弯曲，从而会导致经过这一空间的光线出现方向性的改变，如遥远恒星的光芒在经过太阳附近时会改变方向，使得我们看到的恒星位置与其本来的位置出现极大的偏差，这就是天文观测中经常见到的引力透镜效应。
广义相对论描述了引力的本质，两个物体间的相互吸引力是由于两个物体所产生的时空弯曲效应所引起的。
万有引力公式无法计算出的星体运动轨迹，通过爱因斯坦的重力场方程都可以得到精准的答案。
其实，广义相对论并不是对万有引力的颠覆，而应该称其为一种发展。
万有引力认为引力源于质量，广义相对论也是如此，只不过又在其中加入了能量与时空曲率，于是时间的概念被加入了进来。根据万有引力，引力的作用是瞬间发生的，而广义相对论推导出引力场具有速度，其速度与光速相等，也就是说引力若想发挥作用，是需要时间的。比如光从地球到月球需要1.28秒，万有引力理论认为如果地球消失，失去引力牵扯的月球会瞬间脱轨，而广义相对论认为，月球会正常运行1.28秒之后，才会脱离轨道。
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