牛頓和愛因斯坦是怎麼看引力的？

幾百年來的觀察已經證明了物體之間普遍存在著引力。在1687年，艾薩克牛頓使用他的萬有引力定律量化了這一現象，並將其表述為：在宇宙之中，每一個物體都吸引著其他所有物體，並且任何兩個物體之間的作用力與他們質量的乘積成正比，和他們之間距離的平方成反比。在此，我們假設M和m是兩個物體的質量，r是它們之間的距離，G是引力常數，那麼就可以得出：

F = GMm/r^2 。

引力常數G（其值約為6.67x10^{-11} m^3/kg sec^2）可在實驗室中測量得出。牛頓的萬有引力定律是一個偉大的物理學「統一」，萬有引力定律既解釋了我們在地球上所能夠感受到的力（眾所周知的蘋果砸到牛頓），又解釋了導致行星以單一的法則繞太陽旋轉的力的存在。

圖解：萬有引力定律

實際上，引力是一種十分微弱的力量。比如說，兩個電子之間的電斥力就足以達到他們之間引力的10^40倍。但是，其實引力仍然是天文學中的主導力量，這主要出於兩個原因。首先，引力是一種遠距離的力，舉例而言，即使是強大的核相互作用隨著距離增加的衰退也遠快於引力平方反比定律。其次，引力的作用是增加的。由於行星和恆星接近於電中性，所以正負電荷之間所施加的力可以相互抵消。然而，在我們已知的範圍內，沒有東西有這樣的負質量，並且可以被引力所抵消。（有時你會感覺引力很強，但是別忘了地球時刻以 6x10^24 kg的力在拉著你）

在大多數情況下，牛頓的引力定律是十分精確的。然而，牛頓的理論還是有很強的局限性，不論是在實驗（水星軌道上的存在的微小異常）還是理論方面（和相對論的不兼容）。這些局限導致愛因斯坦修正了引力定律，即提出了廣義相對論（在此簡稱GR），相對論大致把引力解釋為時空曲率的結果。

圖解：廣義相對論中的時空彎曲示意圖

愛因斯坦的出發點是等效原理，不管質量和內部組成是否相同，兩個在同樣引力場中的物體，以同樣的初始速度開始後將會遵循完全相同的行進路線。這意味著引力理論實際上是一種路徑理論(嚴格地說，是時空中的路徑)，它在時間和空間中的兩點間選擇了一條「首選」路線。這聽起來有點像是幾何，愛因斯坦也描述它「曾是」幾何—一個在引力作用下的物體在時空的彎曲中以「儘可能直線」的方式運動著。

圖解：等效效應由廣義相對論引力場公式描述

打個比方，你可以想像一下，有兩條船從赤道的不同點都向北方航行，儘管兩條船都不向對方形勢，但是就好像有種神秘的力量在拉扯著他們接近彼此，直到最終在北極相遇。我們當然知道在地球彎曲的表面上「最可能的直線」是一個圓圈。根據廣義相對論，，引力場中的物體在彎曲的時空中同樣以「最可能的直線」(專業的叫法為「測地線」)運動，而他們的曲率又被重量或者能量所決定。用約翰·惠勒的話說：「時空告訴物質如何運動；物質告訴時空如何彎曲。」

圖解：愛因斯坦時空彎曲示意圖

儘管牛頓的引力定律和廣義相對論的概念來源完全不同，但是他們幾乎給出了完全相同的預測。僅在很少的情況下，觀察結果支持廣義相對論。三個支持廣義相對論的「經典測試」分別是，內行星軌道的異常（特別是水星），在太陽引力場中光線的彎曲和光譜線的引力紅移。再過去幾年中，研究者增加了更多的測試，其中包括引力時間的雷達滯後和雙脈衝星的系統運動。個多的測試也被計劃在未來進行，包括引力波天文台的建設和計劃發射重力探測器B（Gravity Probe B），這是指一個使用敏感陀螺儀尋找「參考系拖拽」的衛星，這是一種在地球旋轉時「拖拽」周圍空間的相對論效益。

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