关于“引力”的理论从古希腊时代开始就出现了许多相关的理论,着人类对于大自然了解的加深,关于引力是什么也一直在变化。如果要做一个分段的话,大概可以分为三个阶段:亚里士多德世界观下的引力理论,牛顿世界观下的引力理论,爱因斯坦世界观下的引力理论。
亚里士多德世界观下的引力理论
最早人类就观察到了,地球上的东西都有一种往地上落的趋势,但也有例外,那就是火和气(体),会往上飘。基于这些日常现象,当时的学者(主要是古希腊的哲学家们)就思考其中的道理。
其中亚里士多德作为古希腊哲学的集大成者,他就总结了前人的观点,并提出了自己的一套理论。
在这套理论中,亚里士多德先对万物的本质下了定义,他认为万物都是由水火土气构成的(也有把土翻译为地的),而天上和地下是不同的,天上主要是“以太”构成的。而水火土气中,水和土有落到地球表面的趋势,火和气有往上空漂的趋势。
这套理论虽然如今看起来有点乱来,但其实我们日常观察到的现象。最著名的莫过于重的物体会先落地,这也是亚里士多德在自己的著作中提出来的。
牛顿世界观下的引力理论
虽然亚里士多德的理论看起来不太靠谱,但这个理论却是统治西方学术圈最长的理论,大概要有1400多年的历史。首先,来实力打脸的是伽利略,传说他做了比萨斜塔实验,不过现在看来传说并不太靠谱。
事实上,伽利略做的是惯性实验。
但不管是哪款实验,在伽利略的时代,已经把亚里士多德理论否定的差不多了。后来,随着开普勒、笛卡尔等人的努力,亚里士多德的世界观的引力理论彻底崩溃。
旧的理论没了,总要有新的理论接盘。而提出新理论的人就是牛顿,他发现万物彼此吸引,不仅如此,他还认为,天上和地上应该都是遵守一个规则的,这个规则就是万有引力定律。
他提出这个理论的同时,给各种物理量下了准确的定义,比如:质量和力,这些都是在牛顿的著作《自然哲学的数学原理》中首次被准确的定义的。这些定义使得这些物理量可以被实验验证,并且可以量化分析。基于量化分析的思路,牛顿提出了著名的万有定律的公式表述:
那在牛顿的这套理论中,引力的本质是什么呢?
牛顿认为,万有引力是一种超距力,说白了就是可以瞬间传递的作用,如果太阳突然消失了,那么在那一瞬间,地球就会沿着轨道的切线方向飞出去。当然,其实不止地球,而是所有绕着太阳运动的行星,矮行星,小行星等。
牛顿的万有引力到了如今都还是主流理论,这是因为这个理论在宏观低速下的世界奇准无比,甚至可以拿它来预言海王星的存在。这可是人类首次通过笔和纸就预言了一个天体的位置,在此之外都是利用观测工具,可以说是有非常大的进步。
爱因斯坦世界观下的引力理论
但并不是说牛顿的理论是万能的,实际上,它的理论也还是有问题的,就比如说,如果是在引力特别大的地方,或者速度特别快(接近光速)的情况下,牛顿理论的缺点就体现出来了,误差会变得十分巨大。
而爱因斯坦一直在试图解决这些个问题,并且提出了相对论。在广义相对论当中,爱因斯坦提出,引力的本质是空间的弯曲。
而引起时空弯曲的是物体的质量。著名的科学家惠勒就曾经高度概括广义相对论的这个结论:
物质告诉时空怎么弯曲。时空告诉物质怎么运动。
如果我们把空间降到二维来看,空间就会像床垫一样,而天体就像是有一定质量的钢珠,当把钢珠放在床上,就会凹陷下去。就拿太阳系来说,太阳压弯了周围的时空,而地球就是沿着时空的“直线”(其实专业名词是测地线)在运动。
爱因斯坦的广义相对论对于引力的解释脑洞很大,至于对不对还要看实验,后来,陆陆续续一些科学家都通过观测验证了广义相对论的结论,比较有名的就是天文学家爱丁顿观测太阳附近的光线偏折证明了广义相对论比牛顿理论更精准。后来,爱因斯坦光相对论理论预言的黑洞、引力波也相继被科学家找到。
所以,如今的广义相对论是关于“引力本质”的主流理论。也就是说,引力的本质是时空的弯曲。