關於「引力」的終極探索

萬有引力的發現

17世紀，天文學家對宇宙中的星球進行了長久的觀察。開普勒對這些觀測結果進行了分析總結，得到開普勒三大定律：

1.所有行星都繞太陽做橢圓運行，太陽在所有橢圓的公共焦點上。

2.行星的向徑在相等的時間內掃過相等的面積。

3. 所有行星軌道半長軸的三次方跟公轉周期的二次方的比值都相等，即r^3/T^2=k。

然而，是什麼讓它們做加速度非零的運動呢？

1666年，23歲的牛頓還是劍橋大學聖三一學院三年級的學生。他身體瘦小，沉默寡言，性格嚴肅。牛頓一直被這樣的問題困惑：是什麼力量驅使月球圍繞地球轉，地球圍繞太陽轉？

牛頓經過長期的研究和思考，認為重力不僅僅是行星和恆星之間的作用力，有可能是普遍存在的吸引力。他認為物質之間相互吸引，相互吸引力不但適用於碩大的天體之間，而且適用於各種體積的物體之間。蘋果落地、雨滴降落和行星沿著軌道圍繞太陽運行都是重力作用的結果。

1687年牛頓提出萬有引力定律並給出引力公式：任何物體之間都有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比。如果用m1、m2表示兩個物體的質量，r表示它們間的距離，則物體間相互吸引力為F=（Gm1m2）/r2，G稱為萬有引力常數。

引力理論的拓展

牛頓的萬有引力定律很好地解釋了地面上物體所受的重力、海洋的潮汐和行星與天體的運動，把天上的運動和地上的運動統一了起來。但他一直沒能解釋清楚兩個有質量的物體之間為什麼會有引力？

這個問題被愛因斯坦的廣義相對論很好地解決了。

廣義相對論是一種關於萬有引力本質的理論。愛因斯坦曾經一度試圖把萬有引力定律納入相對論的框架，幾經失敗後，他將狹義相對性原理推廣到廣義相對性，又利用在局部慣性系中萬有引力與慣性力等效的原理，建立了用彎曲時空的黎曼幾何描述引力的廣義相對論理論。

1905年愛因斯坦發表了一篇探討光線在狹義相對論中，重力和加速度對其影響的論文，廣義相對論的雛型就此開始形成。1912年，愛因斯坦發表了另外一篇論文，探討如何將重力場用幾何的語言來描述。至此，廣義相對論的運動學出現了。到了1915年， 愛因斯坦引力場方程發表了出來，整個廣義相對論的動力學才終於完成。

廣義相對論認為引力是由空間——時間彎曲的幾何效應的畸變引起的，因而引力場影響時間和距離的測量。引力本質是時空彎曲效應。

引力場方程：

式子中代表愛因斯坦張量，代表黎曼曲率張量縮並後的里奇（Ricci）張量，代表曲率標量，為能量動量張量。

這個方程用來描述引力場的具體情況，由於它是一個二階非線性偏微分方程組。

廣義相對論的解釋在水星近日點的進動、光線在引力場中的彎曲、引力紅移等問題上得到了很好的檢驗，其後在大量更精密的實驗中得到了進一步的檢驗，與實驗符合得很好。

大統一理論

早在20世紀20年代，著名物理學家愛因斯坦就致力於尋找一種統一的理論來解釋所有相互作用，他認為自然科學中「統一」的概念或許是一個最基本的法則。他的「大統一」工作一直到他1955年逝世為止，並幾乎耗盡了他後半生的精力，但他的統一思維與當時物理學界的主流思想不符，以致於一些科學史學家斷言這是愛因斯坦的一大失誤。

後來，物理學家在量子理論基礎上，發展出了大統一理論的基本框架。

60年代格拉肖、溫柏格、薩拉姆三位科學家提出弱電統一理論，把弱相互作用和電磁相互作用統一起來，這種統一理論可以分別解釋弱相互作用和電磁相互作用的各種現象，並預言了幾種新的粒子。

70年代中期，人們進一步提出強、弱、電磁三種作用統一的大統一理論。物理學家提出標準模型理論將三種力統一在一起。標準模型是一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。它隸屬量子場論的範疇，並與量子力學及狹義相對論相容。到目前為止，幾乎所有對以上三種力的實驗的結果都合乎這套理論的預測。但是標準模型還不是一套萬有理論，因為它並沒有描述到引力。當物理學家試圖用標準模型的方法對引力進行量子化時公式中會出現「無窮大」的難題。

直至目前為止，引力是四種相互作用力中，唯一沒有被統一的力。

引力的終極探索

物理學中描述引力現象的三個要素：質量、距離和吸引。

1）質量的本質。

狹義相對論的質能關係（E=mc2）把慣性質量與物質的另一個物理屬性（能量）在數量上聯繫起來：具有一定慣性質量的物質必定具有相應數量的能量。相應於靜質量、動質量、相對論質量有靜能量、動能、總能量。

在粒子物理學的理論中，有裸質量和物理質量之分。基本粒子是場的元激發；基本粒子周圍其他量子場與基本粒子的相互作用會影響它的質量。不計這些相互作用時，自由粒子（孤立粒子）的質量稱為裸質量；把這些相互作用的影響包含在內的質量稱為基本粒子的物理質量，也就是在基本粒子實驗中測得的質量 。

結合以上兩種理論可以得出：質量本質是不同形式（能量或物質）相互作用表現出的引力效果。比如，質量從宏觀角度表現為物質（靜止質量）；在微觀角度表現為能量的作用效果（運動質量）。質量本質只是相互作用特性的一種表現形式，即為能量作用或物質作用效果。因此，只要存在能量或物質就擁有質量。（如，光子有運動質量，電子有靜止質量和運動質量）。

質量與引力的本質關係：相互作用（由能量或物質在時空中產生的相互作用）越強，質量越大，引力越大。

2）距離的本質。

在空間中，距離是兩點之間的位置。影響距離的因素有空間的幾何結構，比如，相同的兩點在平直空間和彎曲空間中的距離長度是不同的。距離本質是空間結構的一種表現。

結論：距離大小與空間幾何結構有關。

距離與引力的本質關係：距離是空間結構的表徵（空間的幾何結構呈現出距離關係），兩點距離越遠，代表空間結構越平坦，因此引力越小。

3）吸引的本質。

在時空中，產生吸引效果的方式有兩種。一種是力的作用，另一種是空間的作用。比如，在一張平鋪紙面的兩端分別有一隻螞蟻，如果想讓它們之間彼此靠近，有兩種方法。一種方法是讓它們相互爬向對方（力的運動），另一種是將紙面彎曲對摺（空間運動）。引力的吸引現象可能不是力的作用而是空間彎曲現象。

探索：空間為什麼會彎曲？

宇宙是由物質（能量）和空間構成的時空幾何體。能量（物質）存在三種相互作用力（強力、弱力、電磁力），通過三種作用力形成物質。能量（物質）之間的相互作用（強力、弱力、電磁力作用之和，如量子場。）會導致空間的幾何變化，空間的幾何變化帶動了空間的彎曲運動。

結論：引力不是某種力，而是空間彎曲產生的「吸引」現象。

吸引與引力的本質關係：吸引本質是空間彎曲導致物質相互靠近吸引的表象，人們把這種現象描述為引力。實際上並不存在引力，引力只是空間幾何變化導致空間內物質隨空間運動的現象。

引力的本質：引力是宇宙中能量或物質的相互作用引起的空間變化，導致分布在空間的物體隨空間運動，表現出的物體相互吸引現象。

能量或物質的作用結果會引起空間曲率的增大，所以，這種作用現象只表現出引力效果（物質之間的吸引）。如果某種物質（如反物質）使得空間舒展平坦，空間幾何曲率變小或者為負。那麼，空間中的物體就會表現出排斥遠離現象，這種現象就是反引力效果。

終極理論

目前，物理學家實現了強力、弱力、電磁力三種力的統一。只因對引力本質的了解不徹底，所以，無法將引力進行統一。

經上面所述，引力不是某種力的屬性，本質是時空彎曲產生的「吸引」現象。新的物理學應當從空間幾何（時空幾何）角度重新定義引力，建立幾何引力（時空引力）公式。用幾何結構或幾何模型代替引力。將一切引力描述歸結為時空幾何。

其次，尋找空間幾何（時空）與其它三種相互作用力之間的關係。即把三種作用力與空間幾何進行統一。比如，如何用原子幾何結構描述引力，尋找原子結構與其它三種作用力之間的聯繫。如何用時空幾何取締引力與其它三種力實現統一。

因此，在終極理論中只具有強力、弱力和電磁力三種力以及宇宙時空幾何特性。

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