月球與地球之間隱形的紐帶-引力:為什麼我們生活的地球充滿了吸引力

　　因為萬有引力！我們的月亮圍繞地球運動，是因為它們具有的強大質量所導致的一種相互作用的萬有引力。由於月球與地球之間的質量相差不是很遠，因此月亮圍繞地球轉動的質心並不與地球的地心重合，而是稍微偏離了地心。

　　重力（來自拉丁語gravitas，意思是「重量」）或引力，是一種自然現象，通過這種現象，所有具有質量或能量的物質——包括行星，恆星，星系，甚至連光——都是通過這種現象來讓物質相互靠近（或相互吸引）的。在地球上，重力賦予物體重量，月球的引力會引起海洋潮汐。原來的氣態物質在宇宙中的引力作用下開始凝聚並形成恆星——以及接下來的恆星聚集成星系——因此引力是形成宇宙中許多大型結構的原因。重力具有無限的範圍，不過其影響效果在更遠的物體上將會變得越遠越弱。

　　在600千米的距離上觀看十倍太陽質量的黑洞（模擬圖），背景為銀河系。圖：Ute Kraus

　　廣義相對論（1915年由阿爾伯特·愛因斯坦提出的）最精確地描述了重力，其不是將重力描述為一種普通的力，而是描述為由質量分布不均勻引起的時空曲率的一種結果。這個時空曲率的最極端的例子是黑洞，一旦經過黑洞的事件視界，任何東西，甚至連光都不能從黑洞中逃脫。然而，對於大多數應用來說，重力很接近於牛頓萬有引力定律的定義，牛頓萬有引力定律將重力描述為使任何兩個物體相互吸引的力，與其力和質量的乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比。

　　重力是物理學的四個基本相互作用力中最弱的，大約比強相互作用力弱10的38次方倍，比電磁力弱10的36次方倍，比弱相互作用力弱10的29次方倍。 因此，它對亞原子粒子的水平沒有顯著影響。相反，它在宏觀尺度上佔據著主導力量的地位，是天體形成形狀和軌跡（軌道）的原因。 例如，重力導致地球和其他行星都在圍繞太陽運行，它也會導致月球繞地球運行，並導致潮汐的形成以及太陽系、恆星和星系的形成和演化。

　　宇宙中最早的引力實例，可能是量子引力、超引力或引力奇點，以及普通的時空。在普朗克時代（宇宙誕生後約10的-43次方秒）發展起來， 可能來自原始狀態，例如假真空、量子真空或虛粒子，以及目前未知的方式。為了發展一種與量子力學相一致的引力理論、一種量子引力理論，它們可以使引力在一個共同的數學框架（萬有理論）中與其他三種物理力結合在一起（相互統一），這是當前的研究領域。

　　地球引力場中的引力探測器B，圖：NASA

　　牛頓萬有引力定律

　　1687年，英國數學家艾薩克·牛頓爵士（Sir Isaac Newton）發表了《自然哲學的數學原理》（Principia），該理論假設了萬有引力的反平方定律。 用他自己的話說，「我推斷，使行星保持在它們的軌道上的力必須是相互的，就像它們離它們所圍繞的中心距離的平方那樣，將保持月球在其軌道上所需的力與地球表面的重力進行比較，我發現他們的答案是相當接近的。」方程如下：

　　其中F是力，m1和m2是物體相互作用的質量，r是質量中心之間的距離，G是引力常數。

　　牛頓的理論在用於根據天王星的運動來預測海王星的存在時獲得了最大的成功，因為天王星的運動無法通過其他行星的運動來解釋。 約翰·柯西·亞當斯（John Couch Adams）和奧本·勒維耶（Urbain Le Verrier）的計算預測了這個行星的大致位置，Le Verrier的計算是致使約翰·格弗裡恩·伽勒（Johann Gottfried Galle）發現海王星的原因。

　　水星軌道上的差異顯示出了牛頓理論中的缺陷。 到19世紀末，眾所周知，它的軌道顯示出輕微的擾動，這在牛頓理論下是無法完全解釋的，以至於試圖搜索另一個擾動水星的未知天體（例如繞太陽運行的行星甚至比水星更近的天體）都是無果而終的。 這個問題在1915年被阿爾伯特愛因斯坦的新廣義相對論解決，後者解釋了水星軌道中的微小差異，這種差異是水星近日點在每個世紀42.98弧秒的進動結果。

　　雖然牛頓的理論已經被愛因斯坦的廣義相對論所取代，但大多數現代的非相對論引力計算仍然是利用牛頓理論進行計算的，因為它更易於使用，並且它為大多數涉及足夠小的質量、速度和能量的應用提供了足夠精確的指南。

　　簡略廣義相對論

　　在廣義相對論中，引力的作用歸因於時空曲率而不是力。 廣義相對論的出發點是等效原理，它把自由落體等同於慣性運動，並把自由落體的慣性物體描述為相對於地面上被加速的非慣性觀測器。然而，在牛頓物理學中，除非至少有一個物體被力作用，否則不會發生這種加速。

　　愛因斯坦提出，時空是由物質彎曲的，自由落體的物體在彎曲的時空中沿著局部直線路徑移動。 這些直線路徑稱為測地線。 就像牛頓第一運動定律一樣，愛因斯坦的理論指出，如果一個力被施加在物體上，它就會偏離測地線。例如，我們站立時不再遵循測地線，因為地球的機械阻力向我們施加了向上的力，因此我們在地面上是非慣性的。 這就解釋了為什麼在時空中沿著測地線移動被認為是慣性的。

　　愛因斯坦發現了廣義相對論的場方程，它將物質的存在與時空的曲率聯繫起來，並以他的名字命名。 愛因斯坦場方程是10個一組的非線性微分方程。 場方程的解是時空度量張量的分量，度量張量描述了時空的幾何結構，以及用度量張量計算時空的測地線。

　　萬有引力使行星按照自身的軌道圍繞太陽運轉，圖：Harman Smith and Laura Generosa (nee Berwin), graphic artists and contractors to NASA's Jet Propulsion Laboratory.

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　　文章作者：零度星系（天文在線）

　　審核人員：馬措

　　最終審核：零度星系（天文在線）

　　編輯用時：2019年1月12日-2019年1月13日

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　　最後更新：2019年1月21日星期一

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