牛顿为什么没有引力定律（牛顿的引力定律适用于所有情况吗）

数百年的观察已经确立了物理研究对象之间存在的普遍吸引力。1687年，艾萨克·牛顿在他的引力定律中量化了这一现象，该定律指出宇宙中的每个物体都吸引着所有其他物体，任何两个物体之间的力与其质量的乘积成正比，与距离的平方成反比。如果M和m是两个质量，r是距离，G是引力常数，我们可以写：

重力常数G可以在实验室中测量，其值约为6.67×10^-11N·m^3/ kg^2。 牛顿的引力定律是物理学的第一个伟大的“统一”之一，它解释了我们在地球上经历的力（众所周知的苹果的陨落）和使行星以一个简单的规则绕太阳运行的力。

重力实际上是一种极其微弱的力量。 例如两个电子之间的排斥力比重力的引力强大约10^40倍。 然而，重力是天文学中引发大规模兴趣的主导力量。 这是有原因的， 首先，引力是一种“长程”力 - 例如，强核相互作用会随着距离的增加而下降的更快。 其次，重力是附加的。行星和恒星几乎是电中性的，因此正负电荷所施加的力往往会抵消。 然而，据我们所知，没有负质量的东西，也没有力能消除重力的引力。 （重力有时会感觉强烈，但请记住，你有整个6x10^24公斤的地球拉着你。）

在大多数情况下，牛顿的引力定律非常准确。然而，牛顿理论具有重要的局限性，即观测（例如水星轨道中的细小异常）和理论（与特殊相对论不相容）。 这些限制促使爱因斯坦提出了一种修正的引力理论，即广义相对论（简称“GR”），它（大致）指出引力是时空曲率的结果。

爱因斯坦的出发点是等效原理，观察到同一引力场中以相同初始速度开始的任何两个物体将遵循完全相同的路径，无论其质量和内部构成如何。 这意味着引力理论实际上是一种路径理论（严格来说，是时空路径），它在空间和时间的任意两点之间选择一条“首选”路径。 这样的描述听起来有点像几何学，爱因斯坦提出，在重力的影响下，一个物体在弯曲的时空中以“最直线”移动，这更是几何学的范畴。

作为类比，想象两艘船从赤道上的不同点开始一起向北航行。 虽然船只没有朝向彼此，但它们会发现自己被拉到一起，好像一股神秘的力量将它们拉向彼此，直到它们最终在北极相遇。 当然我们知道这是为什么——地球曲面上的“最直线”是大圆，它们将会聚在一起。 根据广义相对论，引力场中的物体同样在弯曲的时空中以“最直线”（技术上称为“测地线”）移动，其曲率又由质量或能量的存在决定。 用John Wheeler的话来说，“时空告诉物质如何移动;物质告诉时空如何弯曲。”

图解：3条测地线构成的球面三角形。在球面上，测地线是大圆。

尽管它们的概念起点非常不同，但牛顿引力和广义相对论却给出了几乎相同的预测。 在少数误差可以计算的情况下，预测结果支持GR。 GR的三个“经典测试”是内行星轨道（特别是水星）的异常，太阳引力场中光线的弯曲以及光谱线的引力红色偏移。 在过去几年中，科学家们增加了更多的测试，包括雷达的重力时间延迟和对二元脉冲星系统的观测运动。 未来计划的进一步测试包括引力波天文台的建造（见D.05）和计划发射的重力探测器B，这是一颗利用灵敏陀螺仪搜寻“框架拖曳”的卫星，这是一种地球相对论效应，即地球在旋转时会“拖拽”周围的空间。

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. EmmaSu–Steve Carlip

如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处