爱因斯坦站在牛顿的肩膀上，直击引力的本质！

摘要：某一天，牛顿在苹果树下被一颗成熟的苹果砸中。看着滚落在地的苹果，他突然意识到，苹果下落是因为受到地球的重力作用。而且，这个重力并非仅存在于地球表面，极有可能是宇宙中一切星体相互吸引的根本原因。

引力，这一主宰宇宙万物运动的神秘力量，长期以来吸引着无数科学家的探索。

无论是我们奋力跳跃后瞬间落回地面，子弹射向天空后不久坠落，还是人造卫星燃料耗尽后难逃重返地球、在大气摩擦中焚毁的命运，背后的 “推手” 都是引力。

但引力究竟有多大？它又是如何产生的？

在牛顿被苹果砸中脑袋之前，始终无人能给出科学的答案。

1666 年，23 岁的艾萨克・牛顿为躲避伦敦爆发的黑死病，来到偏远乡村的农场。即便离开了剑桥大学，他在乡村的日子里也从未停止思考。

某一天，牛顿在苹果树下被一颗成熟的苹果砸中。看着滚落在地的苹果，他突然意识到，苹果下落是因为受到地球的重力作用。而且，这个重力并非仅存在于地球表面，极有可能是宇宙中一切星体相互吸引的根本原因。

1669 年，27 岁的牛顿成为剑桥大学的数学教授。

1687 年，牛顿提出物体间力的相互作用定律，即万有引力定律。他认为，宇宙中任何两个物体之间都存在相互吸引力，这个力的大小与两个物体的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。

由于当时科学技术水平有限，牛顿无法测定引力常数 G 的值，因此万有引力公式最初表示为：F∝mM/r²，其中 F 为两个物体相互间的引力，m 与 M 分别为两个物体的质量，r 为物体间的距离。

1798 年，英国物理学家亨利・卡文迪许通过精密的扭秤实验，测出引力常数 G 的值约为 6.754×10⁻¹¹ N・m²/kg²。自此，万有引力公式被改写为：F=（G×m₁×m₂）/r²。

万有引力定律的发现为天体力学奠定了基础，科学家们借助它，能够精确测量太阳、地球与月球的质量及引力关系，准确计算彗星的轨道，甚至通过行星间轨道的细微变化，推测出遥远太空中海王星的存在。

万有引力定律极其准确，我们无需登上月球，就能计算出自己在月球表面的重量，还能通过它求出月球对地球同步轨道卫星的微小摄动力。牛顿通过简单易懂的公式，揭示了宇宙中物质间引力的规律，为人类探索宇宙提供了有力工具，其贡献不可磨灭。

然而，牛顿的万有引力理论并非完美无缺，它未能解决一些根本性问题，比如引力的实质是什么，引力与宇宙中其他力之间存在何种关联，万有引力是否适用于所有场合等。

直到 20 世纪初，阿尔伯特・爱因斯坦的出现，才让这些问题有了进一步的解答。

1915 年底，在瑞士伯尔尼专利局任职的爱因斯坦，向普鲁士科学院提交了广义相对论论文。

论文中，爱因斯坦提出两条具有革命性的观点：一是等效原理，即引力场与惯性力场在动力学上是等效的；二是广义相对性原理，所有物理定律在任何参考系中的形式都相同。

为了创立相对论，爱因斯坦提前学习了微分几何，这一用于研究弯曲空间的数学工具。

他认为，一切有质量的物体都具有能量，会使周围的空间发生变形，同时速度也会扭曲时间。在这种扭曲的时空中，传统的欧几里德几何学难以适用，必须借助全新的思维方式和数学工具来解决问题。

爱因斯坦的引力场方程远比牛顿的万有引力定律复杂，这是一个包含 16 个变量的二阶非线性偏微分方程组，理解和求解都极具难度。

不过，通过该方程计算出的结果以及基于广义相对论做出的预言，很多都得到了证实。

水星轨道进动：1859 年，法国天文学家勒威耶利用牛顿万有引力定律计算水星轨道时，发现存在误差。水星在其轨道近日点的实际观测进动值，比理论计算值每 100 年快了 38 角秒。当时人们并未怀疑牛顿万有引力定律，而是猜测在水星与太阳之间存在另一颗行星 “瓦肯人”，是它影响了水星的轨道。但实际上，这颗行星并不存在。当将相关参数代入爱因斯坦场方程进行复杂推算后，得出的进动角位移公式与实际观测值相符，成功解释了水星轨道进动的异常现象。

光被重力弯曲：根据相对论的等效原理，光虽无静止质量，但具有能量，其能量等效于质量。因此，当光经过大质量天体附近时，会被重力吸引而发生偏转或弯曲。

1919 年，太阳发生日食，英国天体物理学家亚瑟・爱丁顿在西非和巴西观察到遮蔽太阳背后 Hyades 星团位置的变化，看到了本应被太阳挡住的星光，证明了爱因斯坦的质能方程和广义相对论的正确性。后来，天文学家观察到的 “引力透镜” 现象以及 “爱因斯坦十字”，进一步证实了光会被大质量天体的引力弯曲。

引力红移：由爱因斯坦质能方程及广义相对论推测出的引力红移现象，如今被天体物理学家广泛用于判断遥远星球的运动方向，并由此提出 “宇宙大爆炸” 假说。当光从引力场逃逸时，会失去能量，导致波长变长，向较低频率和较长波长移位，可见光会向红外光移位。

2018 年 5 月，欧洲南方天文台的科学家将望远镜对准距离我们 2.8 万光年银河系中心的 S2 恒星，当它以 7600km/s 的速度接近银河系中心黑洞人马座 Sgr A 时，光谱开始变红。科学家分别用牛顿万有引力定律和爱因斯坦引力场方程计算 S2 恒星的轨道，结果表明，爱因斯坦的计算结果与实际观测高度吻合，而牛顿的结果则偏差较大。

引力波：万有引力定律无法解释引力波，而爱因斯坦的广义相对论成功预测了引力波的存在。在广义相对论中，引力被视为时空的曲率，引力波是空间和时间本身结构中的涟漪，通过时会交替拉伸和压缩空间。

2015 年，激光干涉引力波天文台首次探测到遥远天体相撞发出的引力波，此后又多次探测到黑洞合并产生的引力波，证明了爱因斯坦时空弯曲设想的正确性。

此外，基于相对论还做出了其他预言，如黑洞、视界事件与奇点，时间测量的相对性，宇宙膨胀与宇宙演化，双星系统因引力辐射损失能量相互靠近形成脉冲星等。这些预言有些已通过观测和实验得到完全验证，有些部分得到验证，展现了广义相对论的强大解释力。

那么，既然广义相对论是正确的，是否意味着万有引力定律就是错误的呢？

并非如此。

科学并非非黑即白，牛顿的万有引力理论认为，物体因质量而具有引力，可以说牛顿已经解释了引力的本质 —— 物体质量的表现。

而爱因斯坦基于狭义相对论，结合 19 世纪中叶麦克斯韦场方程、洛伦兹变换等电磁学研究成果，将物体的质量与能量等效。他认为，物体的质量决定了能量 - 动量密度，能量 - 动量密度造成时空曲率，进而确定引力场的强度。

两者的区别在于，牛顿的万有引力是瞬时的，而相对论认为引力是场，传播速度与光速相同。例如，假设太阳瞬间消失，按照万有引力定律，地球会立即脱离轨道；而根据相对论，地球将在 8 分钟后才会脱离。此外，牛顿理论不考虑时间变化，而爱因斯坦则认为时间会发生扭曲，这导致两个走时精准的原子钟，从地面和卫星上观察，会出现不同的计时结果。