引力

地球引力场中的引力探测器B

万有引力使行星按照自身的轨道围绕太阳运转

引力（德语,英语: Gravitation、德语: Schwerkraft、英语: Gravity从拉丁语: Gravitas），又稱引力相互作用（德语: Gravitationswechselwirkungen、英语: Gravitational Interactions），是指具有质量的物体之间加速靠近的趋势，也是自然界的四大基本相互作用之一，另外三种相互作用分别是电磁相互作用、弱相互作用及强相互作用，引力是上述相互作用中作用力最微弱的，但是在超远距离仍然有效。 在经典力学中，引力被认为来自于质量与引力场之间的相互作用。在广义相对论上，引力被认为来自于质量与弯曲时空之间的相互作用。 在量子引力中，引力子被假定为引力的传送媒介。

在地球上引力的吸引作用赋予物体重量并使它们向地面降落。此外，引力是太阳和地球等天体之所以存在的原因；假若没有引力，则天体将无法相互吸引形成天体系统。引力使得地球和其他天体按照它们自身的轨道围绕太阳运转，使得月球按照自身的轨道围绕地球运转，形成潮汐。

理論史

牛顿的万有引力定律

在1687年，艾薩克·牛頓在他的《自然哲学的数学原理》一书中发表了万有引力定律。牛顿的万有引力定律的陈述如下：

宇宙中每个质点都以一种力吸引其他各个质点。这种力与各质点的质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。
Every particle in the universe attracts every other particle with a force that is directly proportional to the product of their masses and inversely proportional to the square of the distance between them.

——艾薩克·牛頓，于《自然哲学的数学原理》

如果两个质点的质量分别为 $m_1$ 、$m_2$ ，并且在它们之间的距离为 $r$ ，则它们之间的万有引力 $F$ 为

$F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$ ；

其中，$G$ 是被称为引力常数（或万有引力常数），目前引力常數的公認值是$G$ =6.6732×10^-11 m³/(kg•s²)。 注：只有当两个物体之间的距离远大于物体的几何尺寸时，物体可以近似看作质点，这个公式才是适用的。否则应当把物体分割为足够小的质点，两两之间计算引力，而后进行积分。

重力的单位有牛顿（N）或是達因（cgs），在国际单位制中，1公斤的物体在地球表面的重量大约是$9.8 kg \cdot m \cdot s^{-2}$。在CGS制中，1克的物体在地球表面的重量大约是重$980 g \cdot cm \cdot s^{-2}$

廣義相對論

引力源附近扭曲的时空

1916年，阿尔伯特·爱因斯坦发表广义相对论，用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。

引力的速度

对于引力的速度基本有三种理论：

1. 牛顿的超距作用观点，认为引力的传递不需要时间（速度无限大）。這理論已被相對論推翻。
2. 引力的速度是超光速的某值。這理論也已被相對論推翻。
3. 現在所普遍認定的是愛因斯坦所提出的說法，即重力的傳播速度是真空中的光速。

遗留问题

• 三体运动。
• 引力常量G的变化。
• 引力极弱的原因。
• 引力與其它基本力的統一。

各地區的使用名詞

中國大陸

在中國大陸重力不完全是萬有引力的同義詞，以下指出两者的微妙差别： 中国大陆重力的确切定义是：在地面或地面附近物体，会因质量而受到地球吸引的万有引力，又会因随地球自转而受到向心力，重力是万有引力减去向心力后而得到的合力。除此之外，重力和万有引力的使用可能还会出现一些微妙的差别，为了避免造成歧义，最好不要涉入这些差别。

在一般文献中，重力表示物体在天体（特别是地球）表面或附近，会因质量而受到万有引力，又会因随天体自转而受到向心力，重力是万有引力减去向心力后而得到的合力。重力的量度值称为「重量」。天体的自转使得物体在地面参照系中表现为受到向心力的作用。由于一般来说向心力相对于万有引力十分微小，在粗略计算时通常不考虑向心力，或者将两者的合力称为重力。

在某些文献中，万有引力在本质上也不等于重力。万有引力所描述的现象并不依赖于其他特殊的原因。一些理论认为有可能万有引力的存在不取决于力的作用；依照于广义相对论，这的确是正确的。“重力”特别代表随着地球一起转动的物体所感受到的作用力，而“万有引力”代表普遍意义上的物质间的相互吸引力。在专业使用上，“万有引力”是指物体加速靠近另一个物体的趋势，“重力”则是某些理论用于解释导致这种加速行为的“力”。

臺灣

對純粹的「Gravitation」與「Gravity」稱為重力。而在地表上，若不忽略隨地球自轉所扣除的向心力或其它星體的重力所造成的影響，則將這些力與地球重力的合力稱為重量（Weight），此與國際上的用法相同。

相关内容

地球引力

各个行星天体，包括地球，都具有其自身的万有引力特性，特别是在水平面上所测量出的万有引力特性。地球表面的自由落體加速度被表示为g，近似地等于 9.81 m/s² 或者 32.2 ft/s²。这表明，如果忽视空气阻力的影响，在地表附近正在自由落体的物体速度每秒将增加 9.81 m/s（大约22mph）。因此，一个从静止开始下落的物体在一秒后的速度将达到 9.81 m/s，第二秒将达到 19.62 m/s，以后的情况也将依此类推。地球同时也受到下落的物体等值反向的力的作用，意味着地球也将加速向物体运动。但是，由于地球巨大的质量，这个加速度小到难以察觉。

自由落体方程组

在一般情况下，物体因不变的重力持续作用而运动时，一组动力学方程组可描述它运动的轨道。例如，牛顿万有引力定律给出了一个简单的方程F = mg，其中m代表物体的质量。当物体自由落体向地球的距离可以以我们日常用到的距离衡量时，这个猜想是合理的；但若用于对大距离譬如太空船的轨道进行计算时，这将导致极大的误差。

万有引力和天文学

牛顿的万有引力定律的发现和应用被用于计算和了解我们的太阳系內各个行星的详细信息、太阳的质量、恒星间的距离，甚至被用于推测暗物质理论。尽管人类还没有去过太阳和其他星球，我们都可以知道它们的质量。这些都是通过万有引力定律研究得出的。在空间中任何物体都按照一定的轨道围绕某些大质量物体运转，它们之间的万有引力保持着它们的轨道。行星围绕恒星运转，恒星围绕星系中心运转，星系围绕星团中心运转，星团围绕超星系团运转。

萬有理論

在上个世纪，另外三大基本相互作用：强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的产生机制已经通过傳遞相對作用的規範玻色子的观念加以解决。现在人们正在尝试将規範玻色子、相对论与万有引力联合成为一个统一的整体。因此，重力相互作用是如何与其他三个基本作用互相影响的是一个未决问题。

应用

极大数量的机械发明的正常运行在某种程度上依赖于重力而实现。例如，高度差可以提供有用的液压，这是静脉滴注和水塔的运作原理。利用水的重力势能发电的水力发电装置亦可以这种能量将电车推上斜坡。 同样，缆绳上悬挂的重物可通过滑轮使缆绳及缆绳位于滑轮另一边的那一部分持续地绷紧。

还有更多的例子：比如说熔铅，当铅水从霰彈塔的顶端灌入后，会变成一颗颗如雨点一般散落的铅弹——首先被分离成为多个小液滴，形成熔融状态的球体，之后逐渐凝固为固体，并在被众多相同的熔融石的共同作用下，最终在自由落体中冷却形成球形或近球形。重力驱动时钟由重力势能提供运行的能量，摆钟则依赖于重力来校准时间。人造卫星的正常运行则是运用牛顿《原理》计算的结果。

可供参考的理论

历史上的各种理论

• 亚里士多德重力理论 亚里士多德认为，物体的运动速度和其所受外界的合力是成正比(或者是该物体所受的自己本身的重力)，并且和物体运动介质的粘度成反比。
• 尼可拉·特斯拉（Nikola Tesla）宣布但是从未发表的重力动力学理论；部分原因是因为理论的细节（如果有的话）并没有透露，并没有得到物理学家们的重视。
• 感应重力（Induced Gravity），由安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）提出，认为广义相对论可能起源于量子场论。
• 雷萨吉万有引力理论（Le Sage's Theory of Gravitation）（也叫做 雷萨吉重力理论），由乔治-路易斯·雷萨吉（Georges-Louis Le Sage）提出，以一种充满整个宇宙轻的气体的流动来解释这种现象。
• Nordström万有引力理论（Nordström's Theory of Gravitation），广义相对论的早期竞争者。
• 怀特黑德万有引力理论，（Whitehead's Theory of Gravitation）广义相对论的另一个早期竞争者。

最近的各种理论

• 布兰斯-迪克（Brans-Dicke）有关重力的理论（Brans-Dicke theory）。
• Rosen有关重力的理论（Rosen Bi-metric Theory）。
• 莫德采·米尔格若姆（Mordehai Milgrom）在修正牛顿引力理论（Modified Newtonian Dynamics, MOND）中，提出在微小加速运动上对牛顿第二定律的修正。
• 新近提出的且被高度争论的程序物理学（Process Physics）理论试图处理（address）重力问题。

• 引力的量子电磁理论

-->最新的量子引力理论研究证明了万有引力是电磁力的量子现象。由该理论推导出的牛顿万有引力常数G是目前最精确的结果 G=6.67221937(40)×10^-11 N·m2 /kg2。另外，研究结果还表明，万有引力常数已经不再保留有基本自然常数的地位，而是一个由精細結構常數、普朗克常數、以及电子电荷等其他自然常数构成的导出量，可以不仅仅经由直接测量而精确获得。

• 自建宇宙理论（Self Creation Cosmology）将布兰斯-迪克理论修正为允许创造质量。

参见条目

• 人造重力
• 逃逸速度
• 广义相对论
• 重力波
• 重力结合能
• 引力研究基金会
• 重力和分离定理
• 开普勒行星运动第三定律

• 牛顿n-体问题
• 先锋号太空船异常现象
• 标量重力
• 标准重力参数
• 重量
• 失重
• 重力势能

参考資料

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• Dressel, Ludwig. Elementares Lehrbuch Der Physik Nach Den Neuesten Anschauungen Für Höhere Schulen Und Zum Selbstunterricht. Freiburg: Nabu Press. 2010. ISBN 1-148-49618-1. 
• Halliday, David; Robert Resnick; Kenneth S. Krane. Physics v. 1. New York: John Wiley & Sons. 2001. ISBN 0-471-32057-9. 
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• Jefimenko, Oleg D.，"Causality, electromagnetic induction, and gravitation : a different approach to the theory of electromagnetic and gravitational fields". Star City [West Virginia]：Electret Scientific Co., c1992. ISBN 0-917406-09-5
• Heaviside, Oliver，"A gravitational and electromagnetic analogy"（英文）. The Electrician, 1893.

• Proposition 75, Theorem 35: p.956 - I.Bernard Cohen and Anne Whitman, translators: Isaac Newton, The Principia: Mathematical Principles of Natural Philosophy. Preceded by A Guide to Newton's Principia, by I.Bernard Cohen. University of California Press 1999年 ISBN 0-520-08816-6 ISBN 0-520-08817-4
• Max Born（1924年）, Einstein's Theory of Relativity (The 1962 Dover edition, page 348 lists a table documenting the observed and calculated values for the precession of the perihelion of Mercury, Venus, and Earth.)

外部链接

• Gravity Probe B Experiment 英文，爱因斯坦官方网站（斯坦福大学）
• 大珠小珠落玉盘 中文，有关于霰彈塔的一些介绍