引力理论（1687年英国牛顿提出的理论）
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更新时间：2023-05-16
引力理论
1687年英国牛顿提出的理论
详细内容
万有引力定律，（lawofgravitation）物体间相互作用的一条定律，1687年为牛顿所发现。任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比例，而与它们之间的距离的平方成反比。如果用m1、m2表示两个物体的质量，r表示它们间的距离，则物体间相互吸引力为f=（gm1m2）/r2，g称为万有引力常数。万有引力定律是牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出的。牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律，而且还指出木星、土星的****围绕行星也有同样的运动规律。他认为月球除了受到地球的引力外，还受到太阳的引力，从而解释了月球运动中早已发现的二均差、出差等。另外，他还解释了慧星的运动轨道和地球上的潮汐现象。根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。万有引力定律出现后，才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。简单的说，质量越大的东西产生的引力越大，地球的质量产生的引力足够把地球上的东西全部抓牢。
理论发展
广义相对论
爱因斯坦与引力理论
广义相对论的基本内容是：三维空间和一维时间构成四维时空连续统；物理事件由四维时空连续统中的点表示；四维时空连续统的几何性质由四维黎曼几何描述。空间的度规张量和曲率则可以通过引力场方程，由物质的能量-动量张量决定。引力场方程可写为：
式中，τ为原时，为联络。
广义相对论克服了牛顿万有引力定律所遇到的困难，完满地说明水星近日点的进动问题；预言光线在引力场中会发生偏转；强引力场中原子发出的光谱线和弱引力场中同种原子发出的同一光谱线相比，前者的光谱向红端移动。这些效应都在不同程度上得到观测和实验的证实（见广义相对论的天文验证）。
从二十年代起，人们借助于广义相对论把观测所及的宇宙作为一个整体来研究，预言它正在膨胀。这个预言也因河外星系谱线红移和微波背景辐射的发现而得到支持（见宇宙学）。六十年代以来，随着类星体、脉冲星等一系列新天体的发现，广义相对论已日益成为现代天体物理学的重要理论基础（见相对论天体物理学）。
广义相对论虽然取得了很大的成就，但也还存在一些问题。例如，已经证明，在某些相当一般的条件下，总会出现物理上难以接受的奇性以及量子化后不可重整的困难。因此，几十年来，不断有人提出其他的引力理论。这些理论大体可以分为两类：一类是平直空间中满足洛伦兹协变的引力理论，一类是弯曲空间中的度规型引力理论。经过多方面的检验，除了极个别的例外，所有这些理论都一个一个地被淘汰了。然而，以局部惯性系的存在为前提的引力规范理论却引起了广泛的注意。这种理论，就时空的几何性质而言，不仅考虑了曲率，而且考虑了挠率；就物质的特性而言，不仅考虑了能量、动量，也考虑了自旋。它不仅和广义相对论一样，能经受住目前实验和观测的检验，而且有可能克服奇性和重整化困难。在这个方向上，最近出现的超引力理论已经展示了将四种基本相互作用统一起来的诱人前景。
引力理论的本质
两个关键点：1、引力与其他基本力的关系，这里选择了电磁力作为突破口。2、四种基本的力统一说明。
所以要讨论的点非常多，牵涉的面也达到了史无前例的广，这就是这个题目吓人的原因。如果仅仅是题目吓人，那也好啊。题目背后的东西是让人类绞尽脑汁都头疼的问题。一起来走进这个神奇的世界吧！
要讨论这一章的课题，是依据前面的知识理论支撑的。首先从哲学上，从一开始就说了，事物是普遍联系的，联系是有条件的。那么作为宇宙的四种基本力，怎么可能没有相互联系呢？不融洽呢？
可是为什么失败了那么多次，没有成功的统一四种基本力。每一次的失败，都是为下一次成功做铺垫。铺垫多了，新的条件出现了，新的想法出现了，问题就迎刃而解了。
引力理论
那么据此就很明显了，四种基本力【引力，电磁力，强力，弱力】中最根本的是引力！
之前所有的理论都不曾论述四种基本力谁是最重要的，最根本的。也就是说在理论中引力是最根本的，最重要的力。
这就是说明了引力是宇宙中根本性的力，是一种时空性质。还有比这个更广的力吗？没有！也就是是其他三种力在时空范畴内，而时空性质的根本体现就是引力。
从哲学角度来说，在处理各种力的关系问题的时候，往往要以引力为主要矛盾来分析各种现象和状态。另外三种力作为次要矛盾来考虑。
从最新的研究作为切入点开始。先来看看什么是引力波，引力又是如何被发现的。先来看看下面这张关于引力波的图片说明。
通过图片知道了，引力波是一中时空涟漪。通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果，因为它引入了相互作用的传播速度有限的概念，即光速。
相比之下，引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中，因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。
在2016年2月11日，LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器，已经首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。
引力理论
为了详细让大家了解后面要给大家讲述的理论，就有必要对引力波的具体探测工作有了解。
这个过程分为三个阶段。
第一个阶段：两个黑洞的引力波频率从30Hz开始，这在引力波天文学中是比较低的频段，但这意味着黑洞是15Hz轨道频率。再具体点就是这两个黑洞分别是30和36太阳质量。每个半径大概是100公里左右，距离是1000公里左右。每秒种互相转15圈。
第二个阶段：到两个黑洞合并的时候，引力波频率达到100Hz，轨道频率50Hz，就是每秒转50圈。这个时候两个黑洞已经快成一体了，两个黑洞“中心”的距离大概是200公里。
第三个阶段：这个合并的黑洞继续扭曲震荡，形成一个新的，旋转的黑洞。这个黑洞的质量是63个太阳质量。其中有三个左右的太阳质量在碰撞中消失，以引力波的形式向外扩散！
在这里再次强调引力不是时空弯曲产生的，引力是时空性质——是时空产生引力！
弯曲是假象。因为时空背影是弯曲的，引力可以使得时空弯曲！但不是时空弯曲产生了引力！是时空能量，是时空产生了引力！这就是为什么只要是具有质量的物体都具有引力。因为引力就是一种时空性质，任何有质量的物体无法脱离这样的时空法则。从宏观到量子层面都是这样的。
所以就很明显了，引力波是时空的涟漪，那么什么是引力场？时空就是引力场，很显然这样的引力场是全域场。这和现有的引力场定义有根本区别。
其实不难理解，引力是时空性质，引力场自然也是时空性质。它们的区别就是时空在线，面，体的不同表现，但都是出于同一时空性质！
所以引力场的定义就是：引力场是一种全域性的时空性质，其场强度和能量物质分布及运动速度成正比关系。
关键词：全域性，物质能量分布，运动速度，正比关系。
所谓全域性是指从理论上来讲引力场是整个时空的性质，那么它的广度就是时空所在处必然存在引力场。
物质能量分布该怎么理解，在整个时空中物质能量的分布是不均的，引力场强度自然就是不同的。虽然是理论上是全域性的场，也就是弥漫整个宇宙。但是从微分思维出发，由于这种的物质能量的不均性，可以把全域场划分为N个局域场。
但要清楚这种划分是人为的，是为了更好的研究引力理论而设想的。
引力理论
再这里提醒大家，引力和引力场作用的传递速度都是光速。这个已经在前面章节中论述过了。
很多人可能会问，为什么不在引力场的定义的中加入“与距离平方成反比”这样的描述，而在局部引力场中就加入了这样的描述。上面说了，引力场应该是全域场，是一种时空性质，。只有当你去测量具体物体，具体天体，具体星团的引力的时候，可以区分他们的距离——即物体之间的距离。也就是至少有A和B两个质点。
这样把牛顿引力定理就引了出来：任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比，与两物体的化学组成和其间介质种类无关。
数学公式表述为：F= GMm/ r^2。G为引力常数，等于G=6.67×10⁻¹¹ N·m²/kg²。
显然牛顿的理论是一种“静态”引力理论，是一种绝对时空理论。爱氏的广义相对论是一种“动态”的引力理论，是一种相对时空理论。这是爱氏先进的地方。
也就是说牛顿的引力理论有局限性，不适于高速运动的物体。因为相对论效应，高度运动的物体质量会增大。如果牛顿认为质量是不因运动速度变化的，那么自然就不会认识到这点。
这也是为什么重新定义质量。就是将质量回归能量的本质。然后用能量来定义质量。即：质量是物体在相对时空中的一种物理属性，物体所蕴含能量的多少是物体质量的量度。
这样就把质量始终放在相对论时空下的质量了。那么牛顿万有引力定理错误了吗？其实不能说错误了，是不够究竟，和不准确。这在人类认识宇宙世界过程中必须要经历的。
引力场，引力的本源都是时空。引力波就是时空的涟漪。在这里要提出电磁波的概念。引力波和电磁波是不同的。引力波是时空的涟漪，电磁波是电磁场产生的。他们的关系会在后面详细剖析和论述。
上面给大家介绍了引力波被探测到的过程。黑洞在合并的过程会损失若干个太阳质量，这些太阳质量以能量的形式震荡开来，被检测到，即引力波。
就是说时空也是能量时空，引力和引力场的本源就是能量时空。它是一种时空性质。引力波就是时空的巨大变化引起的，不像电磁波那样。
引力理论
既然引力，引力波，引力场的本源都回归于能量时空，那么所谓的引力子就是能量的最小单位——能量子。
所以说引力子这个东西的探究需要谨慎，极有可能竹篮打水一场空。因为引力是时空性质。时空是能量时空，所有的一切都是构成能量时空的物质。
也就是说所有的量子力学体系下的粒子也属于能量。那么如此，爱氏的广义相对论更应该可以与其他三种基本力融洽。也就是说需要建立一个“能量场论。”这个还要再下一章详细讲。
最后再给大家强调这样一点，其实既然所有的物质东西都是能量。那么其实统一理论的现有描述已经出来了。那就是能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体传递给另一个物体，而且能量的形式也可以互相转换。
在不同的领域有不同的表达，如下文：
1、保守力学系统
2、热力学系统
2、相对论理论
4、流体力学
在流体力学中有一种边界层表面效应，又称"伯努利效应“。是指流体速度加快时，物体与流体接触的界面上的压力会减小，反之压力会增加，伯努利效应是流体力学中的能量守恒定律。伯努利因发现这一现象并成功解释它而创立的流体力学。
5、电磁学
根据楞次定律，感应电流所产生的磁场总是阻碍原磁场磁通量的变化，这种阻碍的结果就使得电磁感应的过程中将其他形式的能量转化为电能，感应电流形成回路，再将电能转化为其他形式的能量。也就是说，楞次定律所揭示的感应电流与原磁场的关系本质仍然是能量转化的关系，即能量守恒定律。
6、化学
质量守恒定律：在化学反应前后，参加反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和。这就叫做质量守恒定律
7、经典力学
诺特定理把对称性跟守恒量联系起来了，非常有用。是指对于力学体系的每一个连续的对称变换，都有一个守恒量与之对应。对称变换是力学体系在某种变换下不变。
表述：对于每个局部作用下的可微对称性，存在一个对应的守恒流。
定理的形式化命题仅从不变性条件就导出和一个守恒的物理量相应的流的表达式。该守恒量称为诺特荷，而该流称为诺特流。诺特流至多相差一个无散度向量场。
而且绝对零度不可达到，就说明一切物体具有能量！这一点知识所深刻表达的内容是引力是永恒存在的，时空是永恒存在的。所以爱氏和霍金的宇宙有限论是不可靠的。
参考书目
柏格曼著，周奇、郝苹译：《相对论引论》，高等教育出版社，北京，1961。(P.G.Bergmann,Introductionto the Theory ofRelativity,Butterworths,London,1958.)
温伯格著，邹振隆译：《引力和宇宙论》，科学出版社，北京，1979。(S. Weinberg,Gravitation andCosmology,John Wiley and Sons,New York,1972.)
Y.B.Zeldovich and I. D. Novikov,RelativisticAstrophysics Vol. I, Univ. of Chicago Press,Chicago,1971.
