什么是重力？

在冰雪中的玫瑰

美国宇航局使用登月行走模拟器来研究宇航员在经历六分之一正常重力的情况下执行任务的能力，为阿波罗登月做准备。(图片来源:NASA)

（）据美国太空网（查理·伍德）：重力是宇宙的基本力量之一，主导着我们意识体验的每一刻。它让我们贴近地面，把棒球和篮球从空中拖出来，并给我们的肌肉一些东西来对抗。从宇宙的角度来看，重力也同样重要。

从氢云坍缩成恒星，到将星系粘合在一起，重力只是决定宇宙演化大趋势的少数因素之一。

从某些方面来说，重力的故事也是物理学的故事，这个领域的一些最大的名字通过定义支配他们生活的力而出名。但是即使经过了400多年的研究，这种神秘的力量仍然是这个学科最大的谜团的核心。

重力:一种普遍的力量

四种基本力量每天都在作用于我们。强力和弱力只在原子中心起作用。电磁力控制着带过量电荷的物体(比如电子、质子和袜子在模糊的地毯上拖着脚步)，重力控制着带质量的物体。

直到最近几个世纪，前三种力基本上没有引起人类的注意，但人们长期以来一直在猜测重力，它作用于一切，从雨滴到炮弹。

古希腊和印度的哲学家观察到物体自然地向地面运动，但艾萨克·牛顿灵光一现，将重力从物体的不可预测的趋势提升为可测量和可预测的现象。

牛顿的飞跃在他1687年的论文《自然哲学的数学原理》中公之于众，他意识到宇宙中的每一个物体——从一粒沙子到最大的恒星——都吸引着其他所有物体。这个概念统一了看似不相关的事件，从苹果落在地球上到围绕太阳运行的行星。他还对吸引力进行了量化:他认为，一个物体的质量增加一倍，它的吸引力就会增加一倍，而将两个物体拉近两倍，它们之间的相互吸引力就会增加四倍。牛顿将这些观点纳入了他的万有引力定律。

与专家的重力问答



巨大的物体扭曲了它们周围的时空结构，导致附近的物体沿着弯曲的路径移动。这位艺术家的插图显示重力弯曲了地球和太阳周围的时空结构。(图片鸣谢:vchal via Getty Images)

我们向杰出的大学教授、凯斯西储大学物理学联席主席兼天文学教授格伦·斯塔克曼提出了几个关于引力的常见问题。

格伦·斯塔克曼
著名大学教授和物理系联合主席

凯斯西储大学杰出大学教授、物理学联席主席和天文学教授、起源科学研究所所长、宇宙学和天体物理学教育和研究中心主任。

重力是如何工作的？

这是一个有深刻答案的直截了当的问题。牛顿非常出色地给了我们一个答案——我上面引用的万有引力定律。好到我们称比例常数为牛顿引力常数，记为GN，或者就记为g。在方程形式中，我会将两个物体之间的引力f记为F = Gm1m2/r^2，其中m1和m2是两个质量，r是它们中心之间的距离。

不像G(小写),正如我所说的，它随着你的位置而变化，G似乎是一个自然常数——在任何地方和任何时间都是一样的。人们花了很多时间试图获得非常精确的G值，但它是自然界中测量最差的常数，已知只有大约百万分之二十。(相比之下，电磁力的可比常数称为精细结构常数α，测量值约为100亿分之一。)

所以牛顿的引力定律非常非常好的描述了在大多数情况下引力是如何工作的。不去争论谁先提出了什么，就让我们假设牛顿在1686年发现了(或者至少第一次发表了)这个定律。对于我们日常生活中所做的几乎所有事情来说，它已经足够好了。令人惊讶的是，它也足以解释天文学家正在学习的关于行星和卫星轨道的一切。然而，到了19世纪50年代末，人们认识到水星的轨道稍微有点错误。(具体来说，椭圆轨道的方向每世纪偏离大约43弧秒——一弧秒是1/3600度！)

这是导致爱因斯坦广义相对论(GR)的观测动机，他于1915年发表了该理论。GR对重力的本质有完全不同的理解。事实上，它对空间和时间的本质有着完全不同的理解。或者至少这是对GR最常见的解释，叫做几何解释。(解释是我们用普通语言讲述的关于一个理论的数学方程式的故事。我们与测量值进行比较的是数学方程，但我们用这个故事向人类同胞解释这些方程。这个故事也帮助我们思考这个理论。)我只会说“根据GR”，而我的意思是“根据GR的几何解释。”

根据GR的前身狭义相对论(爱因斯坦于1905年发表)，空间和时间并不是我们通常认为的那样，也不是科学家在那之前对待它们的方式。它们是被称为时空的组合物体/概念的一部分。时空对空间和时间的划分取决于做这件事的人，特别是，两个相对运动的人会使这种分离有所不同。是啊，哇。这很难让你理解。

根据GR，空间(和时间)也不是“静态的”。在我们的日常生活中，我们认为太空有点像一个巨大的“舞台”，演员们——我们，行星，恒星——在上面移动。所以根据我们正常的图片空间不会改变。完全颠覆了这一点。它说，实际上空间(时间)随着其中物体(即质量和能量)的存在而变化。这些变化表现为几何形状的改变——描述空间中各点之间距离和角度关系的规则。我们在中学学习的几何规则，称为欧几里得几何，并不完全正确，因为空间(时间)不是欧几里得的(也称为平面)，相反它是“弯曲的”，并且曲率在不同的地方和不同的时间会发生变化。

然后爱因斯坦告诉我们物体在弯曲的时空几何中运动。我们所感知的“重力”效应(比如，对下落的南瓜)，实际上是物体在弯曲时空中的运动。所以爱因斯坦会说，如果我把一个棒球从外场扔给一垒手，我看到它沿着一条弧线，实际发生的是地球弯曲了它周围的时空，棒球沿着一条直线路径穿过弯曲的时空从外场手到一垒手。

简而言之，根据爱因斯坦的理论，引力是时空中所有物体对时空的弯曲，以及这些物体在时空中的“短程”(直线)运动。

帮助你思考这个问题的一个很好的类比是，想象一个橡胶片在一个框架中拉紧，你把一个保龄球放在中间——橡胶片拉伸。然后你在弯曲的橡胶板表面滚动弹珠。弹子在你看来是弯曲的路径上移动，但实际上，在弯曲薄片的几何形状中，它们是直线路径。

GR是相当久经考验的，尤其是在太阳系。

地球上的引力是什么，我们怎么知道？

如果你早上起床(或者去医生办公室)站在体重秤上，你就是在测量地球对你的引力。我们称之为你的体重。当你站在天平上时，天平平衡了地球对你的引力和一堆弹簧对你的推力。你越压缩弹簧，它向上推的力就越大。秤上的显示屏显示弹簧的推力。

还有另一种方法可以测量引力——通过丢下某样东西，比如一个南瓜，然后观察它加速了多少。牛顿教过我们F = m a，这是牛顿第二运动定律。这里F是一个力——在这种情况下是南瓜上的重力；m是南瓜的质量；a是南瓜的加速度。所以如果我测量南瓜的加速度，我测量南瓜的质量(先不说你怎么做)，那么我就知道重力对南瓜的作用力！

有趣的是，无论我们落下什么——南瓜、保龄球、石头、明花瓶——如果我们可以补偿/忽略/消除空气阻力的影响，我们会发现它以相同的加速度下落:大约9.8米/秒/秒。我们把这个g(小写)称为“重力加速度”。这就是伽利略从比萨斜塔上扔下物体的著名传说。它告诉我们，引力与物体的质量成正比。这是一个如此重要的发现，以至于物理学家称之为等效原理。为什么是“等价”？说来话长。

地球对地球表面的引力是m g，其中m是物体的质量，g是9.8 m/s/s，所以问题非常简单的答案就是“地球上的引力是(导致)大约9.8 m/s/s的加速度。”

实际上，这个加速度g并不是一个常数。答案取决于你离地球中心有多远——北极和南极附近略高，赤道附近略低。(此外，如果你精确地测量，你必须考虑离心加速度，因为你的“实验室”在地球表面，地球每天绕轴旋转一次。)

牛顿早在17世纪就已经明白这种方法了！他教给我们牛顿万有引力定律，该定律说“每个粒子吸引宇宙中所有其他粒子的力与它们质量的乘积成正比，与它们中心之间距离的平方成反比。”在这种情况下，这两个粒子是地球和南瓜。

重力会影响时间吗？

是的。例如，一个大质量物体附近的时钟比远处的慢。换句话说，如果你有两个完全相同的非常精确的钟，把一个放在海平面的实验室里，另一个放在高山上，你会注意到在海平面上的那个比在山上的那个走得慢。

你可能会担心时钟出了什么问题，所以你可以调换它们的位置，现在你会再次发现海平面上的时钟比山上的慢。不要以为你可以用这个来推迟下一个生日。几十亿年后，地核比地表年轻几年。但这种影响并不小，无法衡量。1959年，Pound和Rebka首次通过实验证实了这一点。

重力:发现的工具

对引力的现代描述如此准确地预测了质量如何相互作用，以至于它已经成为宇宙发现的指南。

美国天文学家薇拉·鲁宾和肯特·福特在20世纪60年代注意到，星系似乎旋转得足够快，可以像狗抖掉水滴一样甩出恒星。但是因为他们研究的星系没有旋转分开，似乎有什么东西在帮助它们粘在一起。鲁宾和福特的彻底观察提供了强有力的证据，支持瑞士天文学家弗里茨·兹维基在20世纪30年代提出的早期理论，即一些看不见的质量种类正在加速附近星系团中的星系。大多数物理学家现在怀疑这种神秘的“暗物质”足以扭曲时空，使星系和星系团保持完整。然而，其他人想知道在星系范围内引力本身是否会更强，在这种情况下，牛顿和爱因斯坦的方程都需要调整。

对广义相对论的调整必须非常微妙，因为研究人员最近开始检测该理论最微妙的预测之一:引力波的存在，或时空中的波纹，由空间质量的加速度引起。自2016年以来，一项在美国和欧洲运行三个探测器的研究合作已经测量了多个穿过地球的引力波。更多的探测器正在路上，开启了一个天文学的新时代，研究人员在这个时代研究遥远的黑洞和中子星——不是通过它们发出的光，而是通过它们碰撞时如何震动空间结构。

然而，广义相对论的一系列实验成功掩盖了许多物理学家眼中的致命理论失败:它描述了一个经典时空，但宇宙最终似乎是量子的，或由夸克和电子等粒子(或“量子”)组成。

空间(和重力)是一个光滑的织物的经典概念与宇宙是一个尖锐小碎片集合的量子图像相冲突。如何扩展占统治地位的粒子物理学标准模型，该模型跨越所有已知粒子以及其他三种基本力(电磁力、弱力和强力)，以在粒子水平上覆盖空间和重力，这仍然是现代物理学中最深的谜团之一。