因为万有引力!我们的月亮围绕地球运动,是因为它们具有的强大质量所导致的一种相互作用的万有引力。由于月球与地球之间的质量相差不是很远,因此月亮围绕地球转动的质心并不与地球的地心重合,而是稍微偏离了地心。

重力(来自拉丁语gravitas,意思是“重量”)或引力,是一种自然现象,通过这种现象,所有具有质量或能量的物质——包括行星,恒星,星系,甚至连光——都是通过这种现象来让物质相互靠近(或相互吸引)的。在地球上,重力赋予物体重量,月球的引力会引起海洋潮汐。原来的气态物质在宇宙中的引力作用下开始凝聚并形成恒星——以及接下来的恒星聚集成星系——因此引力是形成宇宙中许多大型结构的原因。重力具有无限的范围,不过其影响效果在更远的物体上将会变得越远越弱。

在600千米的距离上观看十倍太阳质量的黑洞(模拟图),背景为银河系。图:Ute Kraus

广义相对论(1915年由阿尔伯特·爱因斯坦提出的)最精确地描述了重力,其不是将重力描述为一种普通的力,而是描述为由质量分布不均匀引起的时空曲率的一种结果。这个时空曲率的最极端的例子是黑洞,一旦经过黑洞的事件视界,任何东西,甚至连光都不能从黑洞中逃脱。然而,对于大多数应用来说,重力很接近于牛顿万有引力定律的定义,牛顿万有引力定律将重力描述为使任何两个物体相互吸引的力,与其力和质量的乘积成正比,与它们之间的距离的平方成反比。

重力是物理学的四个基本相互作用力中最弱的,大约比强相互作用力弱10的38次方倍,比电磁力弱10的36次方倍,比弱相互作用力弱10的29次方倍。 因此,它对亚原子粒子的水平没有显著影响。相反,它在宏观尺度上占据着主导力量的地位,是天体形成形状和轨迹(轨道)的原因。 例如,重力导致地球和其他行星都在围绕太阳运行,它也会导致月球绕地球运行,并导致潮汐的形成以及太阳系、恒星和星系的形成和演化。

宇宙中最早的引力实例,可能是量子引力、超引力或引力奇点,以及普通的时空。在普朗克时代(宇宙诞生后约10的-43次方秒)发展起来, 可能来自原始状态,例如假真空、量子真空或虚粒子,以及目前未知的方式。为了发展一种与量子力学相一致的引力理论、一种量子引力理论,它们可以使引力在一个共同的数学框架(万有理论)中与其他三种物理力结合在一起(相互统一),这是当前的研究领域。

地球引力场中的引力探测器B,图:NASA

牛顿万有引力定律

1687年,英国数学家艾萨克·牛顿爵士(Sir Isaac Newton)发表了《自然哲学的数学原理》(Principia),该理论假设了万有引力的反平方定律。 用他自己的话说,“我推断,使行星保持在它们的轨道上的力必须是相互的,就像它们离它们所围绕的中心距离的平方那样,将保持月球在其轨道上所需的力与地球表面的重力进行比较,我发现他们的答案是相当接近的。”方程如下

其中F是力,m1和m2是物体相互作用的质量,r是质量中心之间的距离,G是引力常数。

牛顿的理论在用于根据天王星的运动来预测海王星的存在时获得了最大的成功,因为天王星的运动无法通过其他行星的运动来解释。 约翰·柯西·亚当斯(John Couch Adams)和奥本·勒维耶(Urbain Le Verrier)的计算预测了这个行星的大致位置,Le Verrier的计算是致使约翰·格弗里恩·伽勒(Johann Gottfried Galle)发现海王星的原因。

水星轨道上的差异显示出了牛顿理论中的缺陷。 到19世纪末,众所周知,它的轨道显示出轻微的扰动,这在牛顿理论下是无法完全解释的,以至于试图搜索另一个扰动水星的未知天体(例如绕太阳运行的行星甚至比水星更近的天体)都是无果而终的。 这个问题在1915年被阿尔伯特爱因斯坦的新广义相对论解决,后者解释了水星轨道中的微小差异,这种差异是水星近日点在每个世纪42.98弧秒的进动结果。

虽然牛顿的理论已经被爱因斯坦的广义相对论所取代,但大多数现代的非相对论引力计算仍然是利用牛顿理论进行计算的,因为它更易于使用,并且它为大多数涉及足够小的质量、速度和能量的应用提供了足够精确的指南。

简略广义相对论

在广义相对论中,引力的作用归因于时空曲率而不是力。 广义相对论的出发点是等效原理,它把自由落体等同于惯性运动,并把自由落体的惯性物体描述为相对于地面上被加速的非惯性观测器。然而,在牛顿物理学中,除非至少有一个物体被力作用,否则不会发生这种加速。

爱因斯坦提出,时空是由物质弯曲的,自由落体的物体在弯曲的时空中沿着局部直线路径移动。 这些直线路径称为测地线。 就像牛顿第一运动定律一样,爱因斯坦的理论指出,如果一个力被施加在物体上,它就会偏离测地线。例如,我们站立时不再遵循测地线,因为地球的机械阻力向我们施加了向上的力,因此我们在地面上是非惯性的。 这就解释了为什么在时空中沿着测地线移动被认为是惯性的。

爱因斯坦发现了广义相对论的场方程,它将物质的存在与时空的曲率联系起来,并以他的名字命名。 爱因斯坦场方程是10个一组的非线性微分方程。 场方程的解是时空度量张量的分量,度量张量描述了时空的几何结构,以及用度量张量计算时空的测地线。

万有引力使行星按照自身的轨道围绕太阳运转,图:Harman Smith and Laura Generosa (nee Berwin), graphic artists and contractors to NASA's Jet Propulsion Laboratory.

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