《科学大众》
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《地心引力》：从牛顿到爱因斯坦再到未来
2014-03-29 21:00:35《地心引力》：从牛顿到爱因斯坦再到未来
□文/ 萧星寒
《地心引力》上映后，好评如潮。著名导演詹姆斯·卡梅隆称之为“有史以来最好的太空题材的影片”。卡梅隆没有说它是最好的科幻电影，因为《地心引力》更像是现有技术条件下的一次太空逃生。电影最后，当女主角历尽千辛万苦返回地球，从漂浮无依到脚踏实地，充分感受到万有引力的存在时，观众们都感慨万分。那么，什么是万有引力？它又是怎么产生的？关于它，你以前了解的一些知识，到底是真是假呢？
真实的牛顿发现万有引力的故事
说来令人吃惊，自从有了地球，引力就一直存在着。生命诞生之后也一直生活在引力里，至于人类这种自诩的万物之灵，不管还是猴子的时候，或者是后来褪了毛变成人，也是一直都生活在引力里，可是在牛顿告诉我们之前，我们竟然一直都不知道引力的存在。
说到牛顿发现万有引力，大家都会想起苹果的故事。据说牛顿在苹果树下思考问题，一个成熟的苹果掉落到牛顿头上，被打疼的牛顿就开始思考为什么苹果会往下落，而不是往天上飞，最后得出的结论就是地面存在引力。这个故事，和很多科学家的小故事一样，比如瓦特看了烧开的水壶就发明了蒸汽机，或者是爱因斯坦小时候数学成绩很差，都是后来者的虚构。目的么，要么是励志，要么是想突出天才的与众不同。
在吃货眼中，苹果就是用来吃的，它爱落在哪儿就落在哪儿
事实上，无须虚构，真实的情况已经足够精彩。
1665年，牛顿22岁，正在剑桥大学三一学院就读。当时一场造成十多万人死亡的伦敦大瘟疫爆发了，学院关闭，牛顿不得不暂时回到乡下老家，时间长达一年。然而，正是在这一年的时间里，牛顿对光学、力学、数学有多方面的研究和突破。那么，是不是牛顿凭借一己之力在一夜之间发现万有引力定律的？答案是否定的。
早在1632年，伽利略就已经提出离心力和向心力的初步想法。1665年牛顿在乡下躲避瘟疫期间，证明了离心力定律，并写在手稿里，但没有发表。因此，现在一般认为离心力定律是惠更斯于1673年在《摆钟》一书中提出来的。1684年牛顿在《论回转物体的运动》一文手稿中，第一次提出向心力及其定义。就在这一年里，哈雷、雷恩、胡可和牛顿都独立证明了圆轨道上的引力平方反比关系，这便是描述重力的方程式，但是到了第二年，就只有牛顿根据开普勒三个定律、从离心力定律演化出的向心力定律和数学上的极限概念或微积分概念，才用几何法证明了万有引力定律，并在1687年于《自然哲学的数学原理》一书上发表。
一位法国摄影师在照片中制造了神秘的瞬间——假如地球没有了引力。但奇怪的是，为什么这两个人和桌椅没有漂浮起来
牛顿也没能解决的第二个问题
牛顿在前人研究的基础上，从1665年至1685年，花了整整20年的时间，才沿着离心力-向心力-重力-万有引力的顺序，终于提出“万有引力”这个概念。
万有引力定律表示如下：任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。
万有引力定律的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。
然而，万有引力定律只解决了第一个问题：什么是万有引力。受时代的限制，卓越如牛顿也没有能够解决第二个问题，即：为什么有万有引力？这种情况也体现在牛顿其他成就上，比如牛顿三大运动定律，能够描述天上地下一切东西的运动，可是，这些东西为什么会这样运动，牛顿却想不出来，因此，思考很久甚至沉迷于炼金术和星相学依然找不到结论之后，牛顿决定将一切运动的开始都归结为“上帝”，是上帝在创世之初的“第一推动”，使得世间万物如此运动的。
这个问题还需要等待200多年，由另一个天才来回答。
牛顿无法解释为什么会有万有引力，最后只能将一切运动的开始都归结为“上帝”
地心引力其实名不副实
那个天才的名字叫爱因斯坦。
1916年，爱因斯坦提出了广义相对论。广义相对论实际上是用几何语言描述的引力理论。根据广义相对论的描述，在四维时空中，物质会使时空弯曲，在观测上这个完全等效于万有引力。试想在蹦蹦床上放个铅球，蹦蹦床上铅球周围的区域就会弯曲。这就是引力场。这时如果在一定距离内放一个玻璃球（玻璃球也造成了另一个弯曲），玻璃球就能够因为这个弯曲而掉进去。也就是说，引力是因为物质存在质量产生的。你有引力，我有引力，之所以感觉不到，是因为你我的质量太小了，而物质达到星球级别的时候，引力就能检测到了。
如果把四维时空当成一张蹦蹦床，那么就能更好地理解引力了
广义相对论的正确性得到了广泛承认。但也有学者认为这个解释并不完备，试图用引力子、弦理论等角度说明为什么有引力。谁能最终解决这个问题呢？也许就是你啊。
另外，地心引力这个词造成一个误会，认为引力是由地心引起的。事实上引力不是来自地心，而是地球上每个点的物质。只是因为地球是球体，所有引力的方向都指向地心而已。而且，越往地心走，引力越小。更为惊人的是，地心所在的地方，因为处于球体的中心，来自所有方向的引力相互抵消了，地心实际上是没有引力的。人在其中，也会和太空一样，处于完全的失重状态。