引力是如何產生的？

引力是如何產生的，或者說引力的本質是什麼？

目前科學界的主流觀點認為，引力的本質是時空彎曲，這一觀點來自愛因斯坦的廣義相對論，並且經過了非常多的天文觀測證實，還在理論上起到了很好的預測作用。

     

在人類對引力的認識過程中，主要出現了三大理論。下面分別介紹一下。

牛頓經典引力理論

據傳，因為一個蘋果掉下來砸到牛頓的腦袋，牛頓因此悟出了萬有引力定律。世間一切物質都存在相互吸引的作用力，這就是萬有引力。萬有引力的大小，除了與兩個物體的質量有關，還與兩個物體之間的距離有關。這是經典力學中關於引力的描述。

     

在牛頓的理論中，他認為時空是平直的，並且不管距離有多遠，引力的作用都是瞬間完成的。現代物理學研究表明，牛頓的引力理論是廣義相對論的一種局域近似，它只適用於弱引力場環境。

牛頓的引力理論對於預測天體運動已經很精確了，比如，天文學家利用萬有引力定律預言了海王星的存在。不過在解決某些問題時，卻遇到了困難，比如水星近日點進動問題。

愛因斯坦的引力理論

1915年，愛因斯坦在狹義相對論的基礎上正式完成廣義相對論，將引力解釋成時空彎曲，認為時空與物質的關係十分密切。而在牛頓的理論中，時空與物質無關。因此，廣義相對論認為引力並不真實存在，只是一種時空彎曲效應。

該理論將時空幾何化，存在於三維空間中的物體能夠使空間乃至時間發生彎曲，這就是時空彎曲。如下圖所示：

     

有質量的物體能使時空彎曲，質量越大，時空彎曲的越厲害。並且單位空間中包含的質量越多，該區域的時空曲率也就越大。引力相互作用的傳遞速度與光速相當。廣義相對論中最重要的方程便是引力場方程，它描述了物質與時空的關係。

     

廣義相對論不僅解決了水星近日點進動（物體在強引力場中運動）的問題，還得到了很多實驗支持，比如光線在引力場中的彎曲，光譜線的引力紅移等。此外，廣義相對論的很多天文預測也已經被證實，比如黑洞，物質在時空中運動時會激起漣漪形成引力波，引力對光線的彎曲會形成引力透鏡等。廣義相對論的誕生對現代天文學的發展起到了很大的作用。

     

上圖為人類拍攝的第1張黑洞照片

量子引力理論

量子力學和相對論是現代物理學的兩大支柱。量子力學致力於研究微觀世界中物質的運動規律，其研究結果得到了實驗的精確支持。量子力學試圖將引力量子化，但卻並沒有獲得成功。

世界是物質的，物理學家認為自然界中存在4種基本作用力：電磁力、強力、弱力、引力。量子力學與狹義相對論、經典場論結合，形成了量子場論，並在楊米爾斯理論的基礎之上發展出了標準模型理論，成功的將前三種力統一，可卻遲遲不能將引力納入其中，即量子力學與廣義相對論不兼容。

     

科學家們發現，電磁力、強力、弱力都是通過交換粒子（規範玻色子）形成的，故而提出了引力子的概念，並預言了該粒子的性質，可是至今也未在實驗中發現引力子。在量子力學中，粒子被定義為質量為0、自旋為2的玻色子。

     

量子力學雖然未能解決引力的問題，但是卻解決了質量的起源問題。科學家認為，時空中分布著希格斯場，並通過希格斯機制賦予這些粒子質量。目前，科學家已經成功在實驗室中觀測到了由希格斯場激發的希格斯粒子。

不過，目前科學家們並沒有放棄引力量子化的訴求，因為萬有理論實在太誘人。超弦理論是目前最有希望的理論，它兼容了量子力學和廣義相對論。

     

結束語

通過上面的介紹，相信大家已經知道，目前關於引力的本質，由於量子力學和廣義相對論不兼容，這意味著還有很多問題有待解決，應該需要一個全新的理論兼容量子力學和廣義相對論。不過這並不意味著量子力學和相對論是錯誤的，如同相對論並沒有推翻牛頓力學一樣。特別是現有的物理理論，對暗物質和暗能量知之甚少。

不可否認，現有的實驗證據表明，廣義相對論是目前最為精確的一個引力理論，並且有很多重要的應用。目前，時空彎曲是關於引力的最好解釋。