目前科学界的主流观点认为,引力的本质是时空弯曲,这一观点来自爱因斯坦的广义相对论,并且经过了非常多的天文观测证实,还在理论上起到了很好的预测作用。
在人类对引力的认识过程中,主要出现了三大理论。下面分别介绍一下。
牛顿经典引力理论
据传,因为一个苹果掉下来砸到牛顿的脑袋,牛顿因此悟出了万有引力定律。世间一切物质都存在相互吸引的作用力,这就是万有引力。万有引力的大小,除了与两个物体的质量有关,还与两个物体之间的距离有关。这是经典力学中关于引力的描述。
在牛顿的理论中,他认为时空是平直的,并且不管距离有多远,引力的作用都是瞬间完成的。现代物理学研究表明,牛顿的引力理论是广义相对论的一种局域近似,它只适用于弱引力场环境。
牛顿的引力理论对于预测天体运动已经很精确了,比如,天文学家利用万有引力定律预言了海王星的存在。不过在解决某些问题时,却遇到了困难,比如水星近日点进动问题。
爱因斯坦的引力理论
1915年,爱因斯坦在狭义相对论的基础上正式完成广义相对论,将引力解释成时空弯曲,认为时空与物质的关系十分密切。而在牛顿的理论中,时空与物质无关。因此,广义相对论认为引力并不真实存在,只是一种时空弯曲效应。
该理论将时空几何化,存在于三维空间中的物体能够使空间乃至时间发生弯曲,这就是时空弯曲。如下图所示:
有质量的物体能使时空弯曲,质量越大,时空弯曲得越厉害。并且单位空间中包含的质量越多,该区域的时空曲率也就越大。引力相互作用的传递速度与光速相当。广义相对论中最重要的方程便是引力场方程,它描述了物质与时空的关系。