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引力是如何產(chǎn)生的，或者說引力的本質(zhì)是什么？ 目前科學(xué)界的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，引力的本質(zhì)是時(shí)空彎曲，這一觀點(diǎn)來自愛因斯坦的廣義相對論，并且經(jīng)過了非常多的天文觀測證實(shí)，還在理論上起到了很好的預(yù)測作用。  在人類對引力的認(rèn)識(shí)過程中，主要出現(xiàn)了三大理論。下面分別介紹一下。 牛頓經(jīng)典引力理論 據(jù)傳，因?yàn)橐粋€(gè)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(zhì)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(gè)物體的質(zhì)量有關(guān)，還與兩個(gè)物體之間的距離有關(guān)。這是經(jīng)典力學(xué)中關(guān)于引力的描述。  在牛頓的理論中，他認(rèn)為時(shí)空是平直的，并且不管距離有多遠(yuǎn)，引力的作用都是瞬間完成的。現(xiàn)代物理學(xué)研究表明，牛頓的引力理論是廣義相對論的一種局域近似，它只適用于弱引力場環(huán)境。 牛頓的引力理論對于預(yù)測天體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)很精確了，比如，天文學(xué)家利用萬有引力定律預(yù)言了海王星的存在。不過在解決某些問題時(shí)，卻遇到了困難，比如水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)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(chǔ)上正式完成廣義相對論，將引力解釋成時(shí)空彎曲，認(rèn)為時(shí)空與物質(zhì)的關(guān)系十分密切。而在牛頓的理論中，時(shí)空與物質(zhì)無關(guān)。因此，廣義相對論認(rèn)為引力并不真實(shí)存在，只是一種時(shí)空彎曲效應(yīng)。 該理論將時(shí)空幾何化，存在于三維空間中的物體能夠使空間乃至?xí)r間發(fā)生彎曲，這就是時(shí)空彎曲。如下圖所示：  有質(zhì)量的物體能使時(shí)空彎曲，質(zhì)量越大，時(shí)空彎曲的越厲害。并且單位空間中包含的質(zhì)量越多，該區(qū)域的時(shí)空曲率也就越大。引力相互作用的傳遞速度與光速相當(dāng)。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(zhì)與時(shí)空的關(guān)系。  廣義相對論不僅解決了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)（物體在強(qiáng)引力場中運(yùn)動(dòng)）的問題，還得到了很多實(shí)驗(yàn)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(yù)測也已經(jīng)被證實(shí)，比如黑洞，物質(zhì)在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)激起漣漪形成引力波，引力對光線的彎曲會(huì)形成引力透鏡等。廣義相對論的誕生對現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)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(xué)和相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。量子力學(xué)致力于研究微觀世界中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其研究結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)的精確支持。量子力學(xué)試圖將引力量子化，但卻并沒有獲得成功。 世界是物質(zhì)的，物理學(xué)家認(rèn)為自然界中存在4種基本作用力：電磁力、強(qiáng)力、弱力、引力。量子力學(xué)與狹義相對論、經(jīng)典場論結(jié)合，形成了量子場論，并在楊米爾斯理論的基礎(chǔ)之上發(fā)展出了標(biāo)準(zhǔn)模型理論，成功的將前三種力統(tǒng)一，可卻遲遲不能將引力納入其中，即量子力學(xué)與廣義相對論不兼容。  科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，電磁力、強(qiáng)力、弱力都是通過交換粒子（規(guī)范玻色子）形成的，故而提出了引力子的概念，并預(yù)言了該粒子的性質(zhì)，可是至今也未在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)引力子。在量子力學(xué)中，粒子被定義為質(zhì)量為0、自旋為2的玻色子。  量子力學(xué)雖然未能解決引力的問題，但是卻解決了質(zhì)量的起源問題。科學(xué)家認(rèn)為，時(shí)空中分布著希格斯場，并通過希格斯機(jī)制賦予這些粒子質(zhì)量。目前，科學(xué)家已經(jīng)成功在實(shí)驗(yàn)室中觀測到了由希格斯場激發(fā)的希格斯粒子。 不過，目前科學(xué)家們并沒有放棄引力量子化的訴求，因?yàn)槿f有理論實(shí)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(xué)和廣義相對論。  結(jié)束語 通過上面的介紹，相信大家已經(jīng)知道，目前關(guān)于引力的本質(zhì)，由于量子力學(xué)和廣義相對論不兼容，這意味著還有很多問題有待解決，應(yīng)該需要一個(gè)全新的理論兼容量子力學(xué)和廣義相對論。不過這并不意味著量子力學(xué)和相對論是錯(cuò)誤的，如同相對論并沒有推翻牛頓力學(xué)一樣。特別是現(xiàn)有的物理理論，對暗物質(zhì)和暗能量知之甚少。 不可否認(rèn)，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，廣義相對論是目前最為精確的一個(gè)引力理論，并且有很多重要的應(yīng)用。目前，時(shí)空彎曲是關(guān)于引力的最好解釋。 |
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