引力是宇宙間普遍存在的一種基本力,其餘的三種基本力分別為電磁力、強核力和弱核力,由於這三種基本力都已經找到了對應的媒介粒子,所以也就實現了統一,唯獨引力與它們格格不入。
如同強核力、弱核力以及電磁力的媒介粒子膠子、W及Z玻色子以及光子一樣,人們也希望能夠找到引力的媒介粒子,並且事先已經給這種粒子命名為了引力子,只可惜事與願違,時至今日都未能發現引力子的蛛絲馬跡。引力是一種非常強大的力,它遍布於宇宙之中,小到一磚一石,大到宇宙天體,無一不受引力的作用,我們的地球能夠圍繞太陽穩定運行也是託了引力的福。然而另一方面,引力又是無比弱小的,是四種基本力中最弱的一個,它幾乎無法與任何力量相抗衡。
整個地球的引力都在將我們手中的手機向下拉,但我們輕而易舉就能夠拿起它,哪怕是一個一歲幼童也能夠在這場與引力的對抗中取得勝利。
這是一件很有趣的事情,引力這種無比強大又無比弱小的力到底是什麼呢?它的本質是什麼呢?最初給引力一個準確定義的人就是牛頓,它的萬有引力定律第一次讓人類如此接近了引力的真相。牛頓認為任何物體都具有一個相互吸引的力,而這個力是一種超距作用,也就是說引力是瞬時發生的,它不需要時間來進行傳導。在牛頓的理論之下,引力和兩個因素有關,一個就是物體的質量,質量越大則引力越大,而另一個則是物體的距離,距離越遠,相互的引力作用就越小。牛頓的理論非常明確體現出引力和空間是有關係的,但與時間並沒有聯繫。這就是牛頓的萬有引力與愛因斯坦的廣義相對論所存在的最主要差別。
牛頓的萬有引力定律是普通人最為熟悉的引力觀,無論是應用於日常生活,還是應用於航天工程,都足夠精確,但其並不是引力的本質,它只是對於引力在地球宏觀低速環境下的一種特例的描述。
當人們試圖用萬有引力定律去計算水星進動的時候,問題就出現了,計算值與實際值出現了難以接受的誤差。而這一問題被另一個理論所解決了,那就是愛因斯坦的廣義相對論,根據相對論公式計算得出的水星進動值與實際情況幾乎完全相同。那麼相對論對於引力的認知是否就是引力的本質呢?相對論又是如何對引力加以解釋的呢?愛因斯坦的理論在本質上與牛頓截然不同,他認為空間並不是獨立存在的,而是與時間一體的,二者並稱為時空。
愛因斯坦認為引力的本質就是時空的彎曲。
任何有質量的物體都會引起時空的彎曲,質量越大,則時空彎曲的曲率就越大。由於萬有引力定律與廣義相對論存在著本質的區別,所以二者對於天體運行的描述也是截然不同的。在萬有引力定律之下,地球之所以會圍繞太陽運行是因為地球被太陽的引力吸引而向太陽移動,同時由於地球形成時存在著一個初始的運動速度,其運動方向與朝向太陽的引力方向垂直,由於宇宙是近乎於真空的,所以運動會一直持續下去,於是在兩個方向不同的力的共同作用之下,地球便實現了圍繞太陽的穩定運行。
而廣義相對論的認知與此有所差異,它認為由於太陽質量巨大,從而導致了周圍的時空出現了嚴重的彎曲,所以地球只能夠沿著測地線進行運動。
什麼是測地線呢?在平面上,兩點之間直線最短,而在一個彎曲的球面上則有所不同。
比如我們在一個足球的表面畫上AB兩點,那麼兩點之間的最短距離是什麼呢?我們要以足球的球心作為圓心,然後穿過AB兩點畫一個圓,此時連接AB兩點的弧線就是兩點之間的最短距離。
在平面上,受引力影響的物體會沿著兩點之間的最短距離,也就是直線進行運動,在彎曲的表面也是如此,物體仍然要沿著最短距離進行運動,而這個最短距離就是測地線。這就是廣義相對論下地球圍繞太陽運行的根本原因。根據廣義相對論,愛因斯坦成功預言了黑洞以及引力波的存在,而現在,這些都已經得到了證實。而基於廣義相對論,我們可以得出這樣的結論,引力的本質就是時空的彎曲。