萬(wàn)有引力（自然科學(xué)領(lǐng)域定律）
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萬(wàn)有引力是自然科學(xué)領(lǐng)域的一條重要定律，由牛頓在1687年發(fā)現。它揭示了物體之間相互作用的規律，指出所有物體之間都存在一種相互吸引的力，其強度與它們之間的距離平方成反比。 萬(wàn)有引力的意義在于它解釋了行星運動(dòng)的規律，并為宇宙中的天體運動(dòng)提供了基礎理論。通過(guò)萬(wàn)有引力定律，我們可以更好地理解地球上的重力、天體運動(dòng)的軌跡以及宇宙中的星系形成等問(wèn)題。 萬(wàn)有引力的發(fā)現不僅在物理學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠影響，還對其他學(xué)科如天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)等產(chǎn)生了重大影響。它為人類(lèi)認識自然界提供了重要的理論基礎，并推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。 總之，萬(wàn)有引力是自然科學(xué)領(lǐng)域的一條重要定律，對人類(lèi)認識和理解自然界具有重要意義。它的發(fā)現不僅為物理學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域提供了基礎理論，還為其他學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。萬(wàn)有引力
自然科學(xué)領(lǐng)域定律
定義
萬(wàn)有引力定律是牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數學(xué)原理》一書(shū)中首先提出的。牛頓利用萬(wàn)有引力定律不僅說(shuō)明了行星運動(dòng)規律，而且還指出木星、土星的衛星圍繞行星也有同樣的運動(dòng)規律。他認為月球除了受到地球的引力外，還受到太陽(yáng)的引力，從而解釋了月球運動(dòng)中早已發(fā)現的二均差，出差等；另外，他還解釋了彗星的運動(dòng)軌道和地球上的潮汐現象。根據萬(wàn)有引力定律成功地預言并發(fā)現了海王星。
萬(wàn)有引力定律出現后，才正式把研究天體的運動(dòng)建立在力學(xué)理論的基礎上，從而創(chuàng )立了天體力學(xué)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，質(zhì)量越大的東西產(chǎn)生的引力越大，這個(gè)力與兩個(gè)物體的質(zhì)量均成正比，與兩個(gè)物體間的距離平方成反比。地球的質(zhì)量產(chǎn)生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。
萬(wàn)有引力定律傳入中國：《自然哲學(xué)的數學(xué)原理》牛頓最重要的著(zhù)作，1687年出版。該書(shū)總結了他一生中許多重要發(fā)現和研究成果，其中包括上述關(guān)于物體運動(dòng)的定律。他說(shuō)，該書(shū)“所研究的主要是關(guān)于重、輕流體抵抗力及其他吸引運動(dòng)的力的狀況，所以我們研究的是自然哲學(xué)的數學(xué)原理。”該書(shū)傳入中國后，中國數學(xué)家李善蘭曾譯出一部分，但未出版，譯稿也遺失了。現有的中譯本是數學(xué)家鄭太樸翻譯的，書(shū)名為《自然哲學(xué)之數學(xué)原理》，1931年商務(wù)印書(shū)館初版，1957和1958年兩次重印。
詳細內容
兩個(gè)可看作質(zhì)點(diǎn)的物體之間的萬(wàn)有引力，可以用以下公式計算：
萬(wàn)有引力的推導
如果行星的質(zhì)量是m，離太陽(yáng)的距離是r，周期是T，那么由運動(dòng)方程式可得，行星受到的力的作用大小為
行星受到的力的作用大小為：
兩個(gè)通常物體之間的萬(wàn)有引力極其微小，我們察覺(jué)不到它，可以不予考慮。比如，兩個(gè)質(zhì)量都是60千克的人，相距0.5米，他們之間的萬(wàn)有引力還不足百萬(wàn)分之一牛頓，而一只螞蟻拖動(dòng)細草梗的力竟是這個(gè)引力的1000倍！但是，天體系統中，由于天體的質(zhì)量很大，萬(wàn)有引力就起著(zhù)決定性的作用。在天體中質(zhì)量還算很小的地球，對其他的物體的萬(wàn)有引力已經(jīng)具有巨大的影響，它把人類(lèi)、大氣和所有地面物體束縛在地球上，它使月球和人造地球衛星繞地球旋轉而不離去。
重力
在人類(lèi)航天事業(yè)興起之前，萬(wàn)有引力早已被應用于宇宙天體的研究。重力雖然早被發(fā)現，但是重力的研究進(jìn)入宇宙這個(gè)領(lǐng)域，是航天科學(xué)帶領(lǐng)的。從地面出發(fā)進(jìn)行的宇宙航行的路上，物體受的重力要發(fā)生巨大變化。到達目標天體或人造天體后，物體受的重力也會(huì )與地球上有很大區別。要考慮人如何耐受體重的巨大變化，要研究支撐物如何承受物體重量帶來(lái)的壓力的巨大變化。但是重力的研究難于萬(wàn)有引力。至今重力的定義只停留在地面附近，重力的概念也沒(méi)有深入本質(zhì)。重力研究停留在下面的小范圍之內。
重力，就是由于地面附近的物體受到地球的萬(wàn)有引力而產(chǎn)生的。但是需要注意的是，因為地球在自轉，除了在南極北極端點(diǎn)，在地球上任意一點(diǎn)的物體，其重力并不等于萬(wàn)有引力（因為這里的萬(wàn)有引力是指地球本身的引力，而重力是物體本身的質(zhì)量再加上萬(wàn)有引力）。此時(shí)可看作繞地球的向心力和重力合成萬(wàn)有引力（矢量和—平行四邊形法則）。由于繞地球自轉的向心力遠小于重力，故一般就認為重力就略等于萬(wàn)有引力了，其實(shí)重力是略小于萬(wàn)有引力的，只有在南北極物體繞地球自轉的向心力為零時(shí)，重力才等于萬(wàn)有引力。重力和萬(wàn)有引力的方向不同，重力是豎直向下，萬(wàn)有引力是指向地心，豎直向下和指向地心是不同的，不能混淆。
上面研究重力的方法只適用于地面，宇宙航行中的重力和宇宙中天體或人造天體上的重力的研究，離不開(kāi)下面重力的概念和定義。
在靜力學(xué)范圍內，以放置物體的支撐物或物體本身為參照物，來(lái)研究重力能得到最好的保障。萬(wàn)有引力和慣性力都是同時(shí)作用在物體的每一個(gè)微小部分，因此都能使物體獲得重量。在沒(méi)有其他的力具有這樣的作用效果。因此將萬(wàn)有引力和慣性力的共同作用，即它們的合力叫做重力。這種研究重力得到的結果與上面提到在地面上的研究方法得到的結果完全相同，因為地球也是宇宙天體之一。
會(huì )從這里發(fā)現，在地面研究重力，怎么只考慮地球的引力，卻沒(méi)有考慮把地球吸引得團團轉的太陽(yáng)的萬(wàn)有引力和其他眾星球的萬(wàn)有引力？新的概念和定義能很好地做出解釋。把各星球看做質(zhì)點(diǎn)，那么太陽(yáng)的萬(wàn)有引力和其他眾星球的萬(wàn)有引力，都分別和與它們對應的慣性力相互抵消。因此在求地面上物體的重力時(shí)除地球萬(wàn)有引力以外，其他的萬(wàn)有引力可以不參與重力的計算。但是不加考慮是不可以的。
宇宙航行中物體的超重、失重現象的解釋和物體在其他星球上的重力計算，都可以在新定義下，用物體所受重力的變化或說(shuō)重量的變化來(lái)解決。這樣重力的研究就會(huì )伴隨萬(wàn)有引力的研究進(jìn)入宇宙空間。
偉大意義
17世紀早期，人們已經(jīng)能夠區分很多力，比如摩擦力、重力、空氣阻力、電力和人力等。牛頓首次將其中一些看似不同的力準確地歸結到萬(wàn)有引力概念里：蘋(píng)果落地，人有體重，月亮圍繞地球轉，所有這些現象都是由相同原因引起的。牛頓的萬(wàn)有引力定律簡(jiǎn)單易懂，涵蓋面廣。
萬(wàn)有引力的發(fā)現，是17世紀自然科學(xué)最偉大的成果之一。它把地面上的物體運動(dòng)的規律和天體運動(dòng)的規律統一了起來(lái)，對以后物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展具有深遠的影響。它第一次揭示了自然界中一種基本相互作用的規律，在人類(lèi)認識自然的歷史上樹(shù)立了一座里程碑。
牛頓的萬(wàn)有引力概念是所有科學(xué)中最實(shí)用的概念之一。牛頓認為萬(wàn)有引力是所有物質(zhì)的基本特征，這成為大部分物理科學(xué)的理論基石。
發(fā)現過(guò)程
原因
牛頓發(fā)現萬(wàn)有引力的原因很多，主要因為以下幾點(diǎn)。
1.科學(xué)發(fā)展的要求：牛頓之前，有很多天文學(xué)家在對宇宙中的星球進(jìn)行觀(guān)察。經(jīng)過(guò)幾位天文學(xué)家的觀(guān)察記錄，到開(kāi)普勒時(shí)，他對這些觀(guān)測結果進(jìn)行了分析總結，得到開(kāi)普勒三大定律：
1.所有行星都繞太陽(yáng)做橢圓運行，太陽(yáng)在所有橢圓的公共焦點(diǎn)上。
3. 所有行星軌道半長(cháng)軸的三次方跟公轉周期的二次方的比值都相等，即
開(kāi)普勒三定律是不容置疑的，但為什么會(huì )這樣呢？是什么讓它們做加速度非零的運動(dòng)？牛頓經(jīng)過(guò)研究思考解決了這個(gè)問(wèn)題：物體之間存在萬(wàn)有引力。當然他發(fā)現萬(wàn)有引力定量是一個(gè)漫長(cháng)而曲折的過(guò)程。
2.個(gè)人原因：牛頓發(fā)現萬(wàn)有引力定律，雖然是科學(xué)發(fā)展的要求，生產(chǎn)力發(fā)展的原因，但我們不能忽略牛頓本人的一些因素：聰明 勤于思考 擁有一定的知識量。據《物理學(xué)史》說(shuō)：牛頓在發(fā)現萬(wàn)有引力定律的那一段時(shí)間，廢寢忘食（每天魂不守舍，在食堂吃飯，飯碗在前，他在發(fā)呆。去食堂吃飯，卻走錯了方向。一些老師在校園后的沙灘上散步時(shí)，看見(jiàn)了一些古怪的算式和符號）。1669年，他年僅27歲，就擔任了劍橋的數學(xué)教授。還有1672年當選為英國皇家學(xué)會(huì )會(huì )員。
過(guò)程
1666年，23歲的牛頓還是劍橋大學(xué)圣三一學(xué)院三年級的學(xué)生。看到他白皙的皮膚和金色的長(cháng)發(fā)，很多人以為他還是個(gè)孩子。他身體瘦小，沉默寡言，性格嚴肅，這使人們更加相信他還是個(gè)孩子。他那雙銳利的眼睛和整天寫(xiě)滿(mǎn)怒氣的表情更是拒人于千里之外。
黑死病席卷了倫敦，奪走了很多人的生命，那確實(shí)是段可怕的日子。大學(xué)被迫關(guān)閉，像艾薩克·牛頓這樣熱衷于學(xué)術(shù)的人只好返回安全的鄉村，期待著(zhù)席卷城市的病魔早日離去。
在鄉村的日子里，牛頓一直被這樣的問(wèn)題困惑：是什么力量驅使月球圍繞地球轉，地球圍繞太陽(yáng)轉？牛頓首次認為，重力不僅僅是行星和恒星之間的作用力，有可能是普遍存在的吸引力。他深信煉金術(shù)，認為物質(zhì)之間相互吸引，這使他斷言，相互吸引力不但適用于碩大的天體之間，而且適用于各種體積的物體之間。蘋(píng)果落地、雨滴降落和行星沿著(zhù)軌道圍繞太陽(yáng)運行都是重力作用的結果。
人們普遍認為，適用于地球的自然定律與太空中的定律大相徑庭。牛頓的萬(wàn)有引力定律沉重打擊了這一觀(guān)點(diǎn)，它告訴人們，支配自然和宇宙的法則是很簡(jiǎn)單的。
牛頓推動(dòng)了引力定律的發(fā)展，指出萬(wàn)有引力不僅僅是星體的特征，也是所有物體的特征。作為所有最重要的科學(xué)定律之一，萬(wàn)有引力定律及其數學(xué)公式已成為整個(gè)物理 學(xué)的基石。
當然，當時(shí)牛頓提出了萬(wàn)有引力理論，卻未能得出萬(wàn)有引力的公式，因為公式中的“G”實(shí)在太小了，因此他提出：
簡(jiǎn)單含義
牛頓并不是發(fā)現了重力，他是發(fā)現重力是“萬(wàn)有”的。每個(gè)物體都會(huì )吸引其他物體，而這股引力的大小只跟物體的質(zhì)量與物體間的距離有關(guān)。牛頓的萬(wàn)有引力定律說(shuō)明，每一個(gè)物體都吸引著(zhù)其他每一個(gè)物體，而兩個(gè)物體間的引力大小，正比于這它們的質(zhì)量，會(huì )隨著(zhù)兩物體中心連線(xiàn)距離的平方而遞減。牛頓為了證明只有球形體可把“球的總質(zhì)量集中到球的質(zhì)心點(diǎn)”來(lái)代表整個(gè)球的萬(wàn)有引力作用的總效果而發(fā)展了微積分。然而不管距離地球多遠，地球的重力永遠不會(huì )變成零，即使你被帶到宇宙的邊緣，地球的重力還是會(huì )作用到你身上，雖然地球重力的作用可能會(huì )被你附近質(zhì)量巨大的物體所掩蓋，但它還是存在。不管是多小還是多遠，每一個(gè)物體都會(huì )受到引力作用，而且遍布整個(gè)太空，正如我們所說(shuō)的“萬(wàn)有”。
基本力
萬(wàn)有引力是任意兩個(gè)物體或兩個(gè)粒子間的與其質(zhì)量乘積相關(guān)的吸引力，自然界中最普遍的力，簡(jiǎn)稱(chēng)引力。在粒子物理學(xué)中則稱(chēng)引力和強力、弱力、電磁力合稱(chēng)4種基本相互作用。引力是其中最弱的一種，兩個(gè)質(zhì)子間的萬(wàn)有引力只有它們間的電磁力的1/10 ，質(zhì)子受地球的引力也只有它在一個(gè)不強的電場(chǎng)1000伏/米的電磁力的1/10。因此研究粒子間的作用或粒子在電子顯微鏡和加速器中運動(dòng)時(shí)，都不考慮萬(wàn)有引力的作用。
一般物體之間的引力也是很小的，例如兩個(gè)直徑為1米的鐵球，緊靠在一起時(shí)，引力也只有1.14×10 牛頓，相當于0.03克的一小滴水的重量。但地球的質(zhì)量很大，這兩個(gè)鐵球分別受到4×102牛頓的地球引力，所以研究物體在地球引力場(chǎng)中的運動(dòng)時(shí)，通常都不考慮周?chē)渌矬w的引力。天體如太陽(yáng)和地球的質(zhì)量都很大，乘積就更大，巨大的引力就能使龐然大物繞太陽(yáng)轉動(dòng)。引力就成了支配天體運動(dòng)的唯一的一種力。恒星的形成，在高溫狀態(tài)下不彌散反而逐漸收縮，最后坍縮為白矮星、中子星和黑洞，也都是由于引力的作用，因此引力也是促使天體演化的重要因素。
迄今為止，我們已經(jīng)知道，引力是一種與時(shí)空基本結構緊密關(guān)聯(lián)的普適力。應該視其為基本力。換句話(huà)說(shuō)，我們應該用引力來(lái)度量其他東西，而不是用其他東西來(lái)度量引力。因此，在絕對意義上來(lái)說(shuō)，引力不是微弱的——它本來(lái)就是這樣子的。事實(shí)上，引力顯得如此之微弱一直讓理論物理學(xué)界感到困惑。
大統一理論
萬(wàn)有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力這四種作用力是基本力。它們都是通過(guò)在粒子之間交換的一種“傳播子”實(shí)現的交互作用的，這就像兩個(gè)人托排球，通過(guò)他們之間的排球把他們聯(lián)系在一起一樣。帶電粒子之間電磁相互作用的傳播子是質(zhì)量為零、自旋為1的光子。原來(lái)有學(xué)者認為，核子之間的強相互作用（核力）是靠π介子傳遞的，但由于核子和π介子都是由夸克組成的，所以歸根結底它們是夸克之間的相互作用。
傳遞夸克之間強相互作用的傳播子稱(chēng)為“膠子”。注意光子不帶電，且只有一種，而膠子帶“色荷”，分為八種不同的膠子。不過(guò)它和光子一樣，都是自旋為1的玻色子。弱相互作用的傳播子是“中間玻色子”，它的自旋也為1。有三種帶電情況：把帶有正負單位電荷的中間玻色子記為W 、W ，把不帶電的中間玻色子記為Z。1983年歐洲核子研究中心的盧比亞和范德梅爾，在質(zhì)子-反質(zhì)子對撞機實(shí)驗中發(fā)現了這三種中間玻色子，第二年即獲得諾貝爾獎。
在現代物理學(xué)中，能量概念比質(zhì)量概念更具有核心地位。這表現在許多方面。真正守恒的是能量而非質(zhì)量。出現在各類(lèi)基本方程，如統計力學(xué)的波爾茲曼方程，量子力學(xué)的薛定諤方程和關(guān)于引力的愛(ài)因斯坦方程等方程中也是能量。而質(zhì)量似乎更多地與技術(shù)途徑相聯(lián)系，例如作為龐加萊群不可約表示的符號。
因此，愛(ài)因斯坦方程提出了一項挑戰。如果能夠用能量來(lái)解釋質(zhì)量，這將有助于改進(jìn)科學(xué)家們對于世界的描述，這樣，構建世界所需要的構件可能變得更少。
問(wèn)題1：如果
問(wèn)題2：用無(wú)質(zhì)量的構件搭建起來(lái)的物體如何感知引力？牛頓定律說(shuō)物體受到的引力與質(zhì)量成正比，但事實(shí)上，通常被認為是零質(zhì)量的光子卻會(huì )受到引力的作用而發(fā)生彎曲。這是1919年為嚴驗證在愛(ài)因斯坦廣義相對論所提出的假設進(jìn)行的一次科學(xué)實(shí)觀(guān)測所證實(shí)了的。那么這是否意味著(zhù)光子質(zhì)量非零還是牛頓引力定律缺少普適性？
光的問(wèn)題是一個(gè)值得重視的首要性問(wèn)題。《圣經(jīng)·創(chuàng )世紀》中上帝在造物的第一日所創(chuàng )造之物便是光，上帝在圣經(jīng)中也多次把光當成自己的化身。光是“所有事物”中最重要的元素，當然它截然不同于原子。人們本能地認為光是與物質(zhì)完全不同的另一類(lèi)東西，是非物質(zhì)的甚至是精神層面的，這很自然。光也的確表現出完全不同于可觸摸物質(zhì)的特性——后者是那種你踢一下就會(huì )傷著(zhù)腳趾頭或者是流過(guò)吹過(guò)你身邊的東西。如果你要跟費恩曼例子里的災后遺民講授物理學(xué)，你大可告訴他們，光是物質(zhì)的另一種形式，他們也會(huì )理解。你甚至可以告訴他們，光是由粒子——光子——組成的。光子在真空中運動(dòng)速度很大，但是在超導狀態(tài)下，光運行的速度很慢，大體跟目前世界跑得最快的奧運會(huì )短跑冠軍的速度相近，而且，光子在這種狀態(tài)下也具有了質(zhì)量。
其次，值得提及的是原子不是故事的結束，它們是由更基本的構件組成的。因為所有的物質(zhì)都能發(fā)光，所以我們可以假設所有的物質(zhì)都是由原子和光子組成的。原子是由原子核和電子組成的。原子核很小，其大小大約為原子的10萬(wàn)分之一，但它卻包含所有的正電荷和構成了幾乎所有的質(zhì)量。沿此思路走下去，我們將很快將費恩曼故事中災后遺民引領(lǐng)到正確理解科學(xué)的化學(xué)和電子學(xué)的道路上來(lái)，從而重建我們的世界。原子因為原子核和電子之間的電性吸引而保持穩定。最后，原子核又由質(zhì)子和中子組成。原子核卻由另一種力來(lái)維持，這種力要比電性力強大很多，但作用的距離卻很短。這種對于物質(zhì)認識狀態(tài)，大約是1935年前后的情形。而我們所了解的當然要大大跨越這一時(shí)期的知識水準。
1932年，詹姆斯·查德威克發(fā)現了中子，這是一個(gè)里程碑。在查德威克的發(fā)現之后，理解原子核的道路似乎變得通暢了。人們認為原子核的構件已被發(fā)現，它們就是質(zhì)子和中子。這是兩種重量近似的的粒子，而且有著(zhù)類(lèi)似的強相互作用。質(zhì)子和中子的最明顯的差別就是質(zhì)子帶正電荷，而中子呈電中性。此外，孤立的中子不穩定，大約會(huì )在15分鐘的壽命期限內衰變成一個(gè)質(zhì)子（加一個(gè)正電荷和一個(gè)中微子）。將質(zhì)子和中子簡(jiǎn)單相加，你就可以得到不同電荷數和質(zhì)量的模型原子核，它與已知原子核基本相符。
牛頓在1704年發(fā)表的《光學(xué)》一書(shū)中，這樣表述了他對物質(zhì)的終極性質(zhì)的設想：
“在我看來(lái)，事實(shí)上可能是，上帝開(kāi)始造物的時(shí)，將物質(zhì)做成了結實(shí)、沉重、堅硬、不可入但可運動(dòng)的微粒，其大小、形狀和其它一些屬性以及空間上的比例都恰好有助于他實(shí)現創(chuàng )造它們的目的。由于這些原始微粒是些固體，所以它們比任何由它們合成的多孔的物體都要堅固得無(wú)可比擬。它們甚至堅硬得永遠不會(huì )磨損或破裂，沒(méi)有任何普通的力量能把上帝在他第一次創(chuàng )世時(shí)他自己造出來(lái)的東西分開(kāi)。”
物質(zhì)的科學(xué)實(shí)質(zhì)，其不可再分的核心是質(zhì)量。質(zhì)量規定了物質(zhì)反抗運動(dòng)的能力，也就是它的慣性。質(zhì)量是不變的，即具有“保守性”。它可以從一個(gè)物體轉移到另一個(gè)物體，但是永遠不會(huì )增生或被消滅。對于牛頓來(lái)說(shuō)，質(zhì)量定義了物質(zhì)的多少。在牛頓物理學(xué)中，質(zhì)量提供了力和運動(dòng)以及引力源之間聯(lián)系的橋梁。而在拉瓦錫看來(lái)，質(zhì)量的穩定性及其精確的守恒性，則構成了化學(xué)的基礎和富有成果的發(fā)現指南。
事實(shí)上，如果我們針對原子和分子水平上做在質(zhì)子和中子水平上做的散射實(shí)驗，來(lái)研究原子和分子在近距離碰撞下會(huì )發(fā)生什么，我們會(huì )得到同樣復雜的結果：重新分布的分子和碎裂而成的類(lèi)新型分子（或處于激發(fā)態(tài)的原子、離子或自由基），換句話(huà)說(shuō)，得到的各種化學(xué)反應。服從簡(jiǎn)單的力定律的只是基本的電子與原子核，而由多個(gè)電子和原子核組成的原子和分子則不。而且在亞原子粒子情形下，質(zhì)量也不守恒。如果你將質(zhì)子轟擊得足夠致密，你就會(huì )發(fā)現得到的是更多的質(zhì)子，有時(shí)還會(huì )伴有其它強子。一個(gè)典型的情形是，讓兩個(gè)高能質(zhì)子相互碰撞，得到卻是3個(gè)質(zhì)子，一個(gè)反中子和若干個(gè)介子。這些粒子的總質(zhì)量會(huì )大于反應前兩個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量之和。
光沒(méi)有質(zhì)量。光不用推動(dòng)就可以產(chǎn)生巨大的速度從光源傳遞到接受器。光很容易就可以產(chǎn)生（發(fā)射）或湮沒(méi)（被吸收）。光也不具備引力那樣的拉力。但光有能量，能輕而易舉地被轉化并儲藏起來(lái)，例如植物的葉綠素在光合作用下，可以把空氣中的二氧化碳和植物根系吸收的水分、礦物質(zhì)轉換成多糖、氨基酸或纖維素的化學(xué)鍵里。在元素周期表我們找不到光的位置，而這個(gè)周期表里分布都是構成物質(zhì)的各種構件。
在近代科學(xué)誕生前的幾百年以及誕生后的兩個(gè)半世紀里，實(shí)在分為物質(zhì)和光似乎是不言自明的。物質(zhì)有質(zhì)量且守恒，光沒(méi)有質(zhì)量。如果有質(zhì)量物質(zhì)和無(wú)質(zhì)量的光始終彼此隔絕，那么物理世界就始終無(wú)法實(shí)現統一的描述。
在20世紀的前半葉，相對論和量子物理學(xué)的出現摧毀了經(jīng)典物理學(xué)的基礎。現存的物質(zhì)和光的理論幾同廢墟。這一創(chuàng )新性的破壞過(guò)程，使得物理學(xué)家有可能在20世紀的下半葉建造起一個(gè)新的更深刻的物質(zhì)-光理論，它將徹底破除自古以來(lái)對兩者分離的認識。新的理論認為，世界是建立在充滿(mǎn)以太的多層級空間基礎上的。這里借用的“以太”雖然是十七世紀的哲學(xué)家笛卡爾的概念，在十九世紀時(shí)麥克斯韋則稱(chēng)之為“場(chǎng)”，而在1970年代中，維爾切克則將其稱(chēng)之為“網(wǎng)格”。
新的世界模型盡管看起來(lái)有點(diǎn)稀奇古怪，但卻非常成功而且精確。它為我們提供了對普通物質(zhì)質(zhì)量起源的新認識。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，物質(zhì)的出現于相對論、量子場(chǎng)論和色動(dòng)力學(xué)均有關(guān)系——后者是研究支配夸克和膠子行為特有規律的學(xué)問(wèn)。如果不深入了解并熟悉地運用這些概念，我們就無(wú)法理解質(zhì)量的起源。而且迄今為止，量子場(chǎng)論和色動(dòng)力學(xué)仍然是活躍的研究領(lǐng)域，還有許許多多的問(wèn)題有待解決。
不久以前，人們曾經(jīng)認為普通物質(zhì)的基本構件就是質(zhì)子和中子。之后，科學(xué)家們又發(fā)現，普通物質(zhì)的基本構件——質(zhì)子和中子——內有些小東西。這些小東西叫做夸克和膠子。當然，知道它們的名字并不等于告訴我們他們是什么，正如莎士比亞筆下的羅密歐所解釋的那樣：
“名字有什么意義？我們叫做玫瑰的東西，換個(gè)名字，還是一樣的香艷。”
但是，如果夸克和膠子只是物質(zhì)內部永無(wú)止境的復雜結構的又一層級，那么它們的名字只不過(guò)提供一種讓人們炫耀的非流行語(yǔ)詞。然而夸克和膠子并不“只是又一層級”。在膠子本身被發(fā)現之前，人們已經(jīng)發(fā)現了描述膠子的方程。1954年楊振寧和羅伯特·米爾斯發(fā)現作為電動(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程組自然數學(xué)推廣的一類(lèi)方程組，表明麥克斯韋方程組的自然數學(xué)推廣方程組支持所有已知荷的對稱(chēng)性，而在楊-米爾斯方程組基礎上由大衛·格羅斯和弗蘭克·維爾切克于1973年推導出了適用于現實(shí)世界中強相互作用膠子方程的過(guò)程中使用了三種“荷”。出現在強相互作用理論中的這三種荷通常稱(chēng)為色荷，或簡(jiǎn)稱(chēng)為荷。
在20世紀60年代初，實(shí)驗者發(fā)現了幾十種強子，它們的質(zhì)量、壽命和固有的自旋均不相同。其中，希格斯玻色子是粒子物理學(xué)標準模型預言的一種自旋為零的玻色子，至今尚未在實(shí)驗中觀(guān)察到。它也是標準模型中最后一種未被發(fā)現的粒子。物理學(xué)家希格斯提出了希格斯機制。在此機制中，希格斯場(chǎng)引起自發(fā)對稱(chēng)性破缺，并將質(zhì)量賦予規范傳播子和費米子。希格斯粒子是希格斯場(chǎng)的場(chǎng)量子化激發(fā)，它通過(guò)自相互作用而獲得質(zhì)量。2012年7月2日，美國能源部下屬的費米國家加速器實(shí)驗室宣布，該實(shí)驗室最新數據接近證明被稱(chēng)為“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。2013年3月14日，歐洲核子研究組織發(fā)布新聞稿表示，先前探測到的新粒子是希格斯玻色子。
在粒子物理學(xué)里，標準模型是一種被廣泛接受的框架，可以描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子。由于基本粒子和基本力形成了物理世界，所以，除了引力以外，標準模型可以合理解釋這世界中的大多數物理現象。最初，標準模型所倚賴(lài)的規范場(chǎng)論禁止基本粒子擁有質(zhì)量，這很明顯地顯示出初始模型不夠完全。后來(lái)，物理學(xué)者研究出一種機制，能夠利用對稱(chēng)性破缺來(lái)賦予基本粒子質(zhì)量，同時(shí)又不會(huì )抵觸到規范場(chǎng)論。這機制被稱(chēng)為希格斯機制。在所有解釋質(zhì)量起源的機制之中，希格斯機制是最簡(jiǎn)單、最被認可的一種。物理學(xué)者已完成了很多實(shí)驗，并確實(shí)偵測到這機制引發(fā)的許多種效應，但是他們不確切了解這機制到底是怎么一回事。
標準模型給出了自然界四種相互作用中的電磁相互作用和弱相互作用的統一描述，但是在能量低于一定條件后，電磁相互作用和弱相互作用將呈現為不同的相互作用，這被稱(chēng)為電弱相互作用的對稱(chēng)性自發(fā)破缺。希格斯粒子就是在標準模型解釋電弱對稱(chēng)性自發(fā)破缺的機制時(shí)引入的。
根據標準模型理論，宇宙空間中的各處，無(wú)論是真空中還是空氣中，甚至是物質(zhì)的內部，都充滿(mǎn)了希格斯粒子（希格斯場(chǎng)）。希格斯粒子被認為是生成基本粒子的“質(zhì)量”之源。雖然質(zhì)量總是與“重量”聯(lián)系在一起，但嚴格說(shuō)起來(lái)是不一樣的。質(zhì)量應該是反映“改變加速度的難易程度”的物理量。
為什么有些基本粒子具有質(zhì)量，而有些基本粒子的質(zhì)量為零？物理學(xué)界仍在不停的探索中。而更加令物理學(xué)家們棘手的是，即使標準模型理論解決了除引力外的另外三種基本力的統一問(wèn)題，但引力如何與其他三種達到大一統的局面，仍然缺少一些重要的中間環(huán)節。另外，如果愛(ài)因斯坦提出的能量與質(zhì)量交換方程是普適而有效的，那么，質(zhì)量是否源于能量的凝聚呢？
我們知道，原子中的電子可以有不同的軌道形狀，其自旋可有不同取向，因此原子可有許多不同能態(tài)。對這些可能的態(tài)的研究是原子光譜研究的重要內容。我們常用原子光譜來(lái)揭示各種不同的態(tài)是由什么決定的，來(lái)設計激光器以及許多其它事情。由于原子光譜本身的重要性以及它與夸克模型有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，因此我們得首先花點(diǎn)時(shí)間來(lái)說(shuō)說(shuō)光譜。
像火焰或者恒星大氣這樣的熱氣體中就包含處于不同態(tài)的原子。即使是原子核相同、電子數相同的原子，其電子仍然可有不同軌道或不同自旋取向。這些態(tài)有不同的能量。高能態(tài)可衰變到底能態(tài)并發(fā)光。由于能量總體上是守恒的，因此發(fā)出的光子的能量可通過(guò)其顏色來(lái)獲知，這個(gè)能量反映了初態(tài)和終態(tài)之間的能量差。每一種原子發(fā)出的光都有一套特征顏色分布。氫原子發(fā)出的光是一組顏色條紋，氦原子發(fā)射的光澤是完全不同的另一組顏色條紋，等等。物理學(xué)家和化學(xué)家將這種顏色分布成為原子頻譜。原子的頻譜起著(zhù)標識該原子特征的作用，可以用來(lái)識別原子。當你讓光線(xiàn)通過(guò)棱鏡從而使不同的顏色分開(kāi)時(shí)，得到的譜就相當于一套條碼。
原子光譜在構建原子內部結構模型方面曾經(jīng)給予我們很多具體的指向。以此為基礎，我們再回到夸克模型上來(lái)。同樣的設想經(jīng)過(guò)改造后再亞原子層面上依然有效。在原子層面上，電子兩個(gè)態(tài)之間的能量差相對較小，這個(gè)能量差從原子總質(zhì)量來(lái)看顯得微不足道。夸克模型的核心思想是，夸克“原子”即強子的不同態(tài)之間的能差非常之大，它們對確定強子質(zhì)量起著(zhù)重要作用。根據愛(ài)因斯坦能量質(zhì)量交換公式推導出的m=E/c2，我們可以將不同質(zhì)量的強子理解為不同軌道模式——即不同量子態(tài)——的夸克系統具有不同的能量。質(zhì)言之，原子光譜是供看的，強子譜澤是供稱(chēng)量的。利用這一原理，蓋爾曼和茨威格證明了，人們可以將觀(guān)測到的許多不同的強子解釋為幾個(gè)基本夸克“夸克”的不同態(tài)。
然而，難以置信的是，盡管科學(xué)家們都非常渴望找到單一的夸克粒子，結果卻屢屢失敗。迄今為止，人們沒(méi)有觀(guān)測到任何粒子具有單一夸克的特性。如同發(fā)明永動(dòng)機的失敗一樣，尋找單個(gè)夸克的失敗已經(jīng)升格為一條原理：夸克禁閉原理。
當物理學(xué)家試圖用夸克來(lái)充實(shí)介子和重子的內部結構模型，以便可以說(shuō)明它們的質(zhì)量時(shí)，更大的困難出現了。即使是在最成功的模型里，情況似乎總是，當夸克（或反夸克）彼此靠近時(shí)，它們幾乎從不注意到對方的存在。夸克之間的相互作用力是如此微弱，人們很難將它與無(wú)法發(fā)現獨立夸克的事實(shí)調和起來(lái)。如果夸克彼此接近時(shí)不在乎對方的存在，那它們彼此遠離后為什么不可以單獨存在呢？
這里可能出現了一種以前從未有過(guò)的隨距離增大而增大的基本力。最初的夸克模型沒(méi)有給出描述夸克之間力的精確方程。在一方面，夸克模型頗有些類(lèi)似于前牛頓的太陽(yáng)系模型，或者前薛定諤/前玻爾原子模型。許多物理學(xué)家，包括蓋爾曼本人，認為夸克只是一個(gè)可以成為自然界數學(xué)描述里的有用的工具，而不是真正意義上的實(shí)在的元素。
我們知道，質(zhì)子內部的物質(zhì)運動(dòng)極快。在斯坦福直線(xiàn)加速器中心，科學(xué)家實(shí)際上是采用電子來(lái)轟擊質(zhì)子，然后觀(guān)測兩者碰撞后出射電子的行為。出射電子的能量和動(dòng)量比碰撞前要少。由于能量和動(dòng)量整體上是守恒的，因此電子失去的能量可能是被虛光子帶走，并轉交給質(zhì)子。這往往導致質(zhì)子經(jīng)復雜過(guò)程而被打破，由此導致了一種新的實(shí)驗方法，只追蹤電子，即只關(guān)注能量和動(dòng)量流。
量子理論允許我們調和關(guān)于質(zhì)子是什么的兩個(gè)看似矛盾的概念。一方面，質(zhì)子內部是動(dòng)態(tài)的，里面的事情在不斷變化、運動(dòng)著(zhù)。另一方面，所有質(zhì)子隨時(shí)隨地都表現出完全相同的行為，也就是說(shuō)，每一個(gè)質(zhì)子均給出相同概率。如果質(zhì)子在不同的時(shí)間里表現不一，所有的質(zhì)子怎么可能表現完全相同的行為？一個(gè)簡(jiǎn)單而直觀(guān)的解釋是，雖然每一個(gè)體概率在演化，但整體概率分布卻保持不變。這就像一條平緩但在流動(dòng)的大河，即使每一個(gè)滴水都在向前流淌，但整個(gè)河流看上去卻并無(wú)變化。
在微觀(guān)尺度上大量的粒子都很難被捕捉到。科學(xué)家們把它們叫做粒子和反粒子（或者把反粒子叫做虛粒子）。這些虛粒子出現和消失都很快，但也跑不了多遠。科學(xué)家們只能在極短時(shí)超高分辨率的抓拍中和它們偶遇。在任何通常意義下人們都無(wú)法見(jiàn)到它們，除非我們能提供所需的能量和動(dòng)量來(lái)促使它們產(chǎn)生。但即便如此，我們看到的也不是原來(lái)未受干擾的虛粒子——即自發(fā)產(chǎn)生和消失的那種粒子。
現代生物醫學(xué)告訴我們，只有借助于更復雜的生物體（宿主），病毒才可以存活。虛粒子則遠為脆弱，因為它們需要外部幫助才能存在。盡管如此，它們卻在量子力學(xué)方程里，而且根據這些方程，虛粒子會(huì )影響到我們看得見(jiàn)的粒子的行為。
虛粒子總是成群地處于高速運動(dòng)的狀態(tài)中。物理學(xué)家將其稱(chēng)之為虛空空間中的實(shí)體成為一種動(dòng)態(tài)介質(zhì)。由于虛粒子的行為，正電荷會(huì )被部分屏蔽。也就是說(shuō)，正電荷周?chē)驗楫愋韵辔?zhù)一層補償性的負電荷。從遠處看，我們感覺(jué)不到正電荷的全部靜電力，因為有部分被周?chē)呢撾姾傻窒恕Q句話(huà)說(shuō)，你越是接近電荷有效電荷就會(huì )越多；你越是遠離電荷，它就顯得越小。
在夸克模型里我們正好得出相反的行為。假定夸克模型里的夸克在相互靠近時(shí)相互作用很弱，但如果它們的有效電荷在鄰近區域達到最大值時(shí)，我們得到的只是相反的結果。這時(shí)它們彼此間的距離越小，相互作用就會(huì )越強烈；相距越遠，其電荷被屏蔽得越明顯，因而相互作用也就越弱。
量子電動(dòng)力學(xué)起源于1927年保羅·狄拉克將量子理論應用于電磁場(chǎng)量子化的研究工作。他將電荷和電磁場(chǎng)的相互作用處理為引起能級躍遷的微擾，能級躍遷造成了發(fā)射光子數量的變化，但總體上系統滿(mǎn)足能量和動(dòng)量守恒。狄拉克成功地從第一性原理導出了愛(ài)因斯坦系數的形式，并證明了光子的玻色-愛(ài)因斯坦統計是電磁場(chǎng)量子化的自然結果。人們發(fā)現，能夠精確描述這類(lèi)過(guò)程是量子電動(dòng)力學(xué)最重要的應用之一。另一方面，狄拉克所發(fā)展的相對論量子力學(xué)是量子電動(dòng)力學(xué)的前奏，狄拉克方程作為狹義相對論框架下量子力學(xué)的基本方程，所描述的電子等費米子的旋量場(chǎng)的正則量子化是由匈牙利-美國物理學(xué)家尤金·維格納和約爾當完成的。狄拉克方程所預言的粒子的產(chǎn)生和湮滅過(guò)程能用正則量子化的語(yǔ)言重新加以描述。
靜態(tài)夸克模型建立之后，在重子質(zhì)量譜和重子磁矩方面取得了巨大成功。但是，某些由一種夸克組成的粒子的存在，與物理學(xué)的基本假設廣義泡利原理矛盾。為解決這個(gè)問(wèn)題，物理學(xué)家引入了顏色自由度，并且顏色最少有3種。這個(gè)時(shí)候顏色還只是引入的某種量子數，并沒(méi)有被認為是動(dòng)力學(xué)自由度。
經(jīng)歷了十年左右的各種實(shí)驗，都沒(méi)有在靜態(tài)夸克模型中發(fā)現分數電荷的自旋1/2的夸克存在，物理學(xué)家被迫接受了夸克是禁閉在強子內部的現實(shí)。然而，美國的斯坦福直線(xiàn)加速器中心SLAC在七十年代初進(jìn)行了一系列的輕強子深度非彈性散射實(shí)驗，發(fā)現強子的結構函數具有比約肯無(wú)標度性(Bjorken Scaling)。為解釋這個(gè)令人驚奇的結果，費曼由此提出了部分子模型，假設強子是由一簇自由的沒(méi)有相互作用的部分子組成的，就可以自然的解釋比約肯無(wú)標度性(Bjorken Scaling)。更細致的研究確認了部分子的自旋為1/2，并且具有分數電荷。
部分子模型和靜態(tài)夸克模型都取得了巨大成功，但是兩個(gè)模型對強子結構的描述有嚴重的沖突，具體來(lái)講就是夸克禁閉與部分子無(wú)相互作用之間的沖突。這個(gè)問(wèn)題的真正解決要等到漸近自由的發(fā)現。格婁斯，維爾切克和休·波利策的計算表明，非阿貝爾規范場(chǎng)論中夸克相互作用強度隨能標的增加而減弱，部分子模型的成功正預示著(zhù)存在SU（N）的規范相互作用，N自然的就解釋為原先夸克模型中引入的新自由度--顏色。
色荷概念的引入和部分子的應用實(shí)在量子電動(dòng)力學(xué)基礎的物理學(xué)的突破進(jìn)展。物理學(xué)家們將這種新的理論稱(chēng)之為量子色動(dòng)力學(xué)。兩者之間雖然有諸多相似之處，但還是有如一些重要的區別：首先是膠子對色荷的響應——由量子色動(dòng)力學(xué)耦合常數衡量——要遠遠強于光子對電荷的響應。其次是膠子可以一種色荷變換成另一種色荷。量子電動(dòng)力學(xué)和量子色動(dòng)力學(xué)的第三個(gè)重要的區別來(lái)自于上述第二個(gè)區別的結果。由于膠子對色荷的存在和運動(dòng)做出響應，而且膠子攜帶不平衡的色荷，因此膠子可以直接對另一個(gè)膠子做出響應。這與光子的情形正好相反。
相比之下，光子是電中性的。它們相互之間完全不存在激烈的相互作用。因此這些差異使得量子色動(dòng)力學(xué)的計算結果要比得到量子電動(dòng)力學(xué)的計算結果更為困難。而且，由于存在導致色流動(dòng)的各種可能性以及更多種類(lèi)的節點(diǎn)，在做這類(lèi)計算時(shí)，科學(xué)家們又引入漸近自由概念。通過(guò)引入漸近自由，像噴注的能量和動(dòng)量的整體流動(dòng)，都可以通過(guò)計算得到確定。
關(guān)于世界是由什么構成的哲學(xué)和科學(xué)思考一直都在變化。許多枝節性問(wèn)題仍然保留在今天最好的世界模型和一些大的謎團里。顯然要下結論還為時(shí)尚早。
就自然哲學(xué)而言，我們從量子色動(dòng)力學(xué)和漸近自由中得到的最重要的認識是，在我們認為是虛空空間的地方實(shí)際上充滿(mǎn)了活躍的媒介，其活動(dòng)鑄就了這個(gè)世界。雖然早在大約2000年前成書(shū)的大乘佛教的典籍《金剛經(jīng)》就曾指出“色即是空，空即是色”，而今現代物理學(xué)的其它發(fā)展強化并充實(shí)了這種認識。以后，當我們探索當前知識的前沿時(shí)，我們將看到“虛空”空間概念是怎樣一種豐富的動(dòng)力學(xué)媒介，它推動(dòng)著(zhù)我們不斷思考如何去實(shí)現力的統一。
其實(shí)，關(guān)于空間虛無(wú)性的爭論可以追溯到現代科學(xué)的前史，至少可以追溯到古希臘時(shí)期。亞里士多德曾經(jīng)這樣寫(xiě)道：“自然界厭惡真空”，而他的對手原子論者們則認為，用古羅馬詩(shī)人盧克萊修的話(huà)來(lái)說(shuō)，就是“整個(gè)自然，作為自足的實(shí)在，都是由兩件東西組成的：物體和虛空，它們賴(lài)以建立，并在其中運動(dòng)。”
這種思辨性爭論在現代科學(xué)的黎明——17世紀的科學(xué)革命——得到回響。笛卡爾提出，對自然世界進(jìn)行科學(xué)描述的基礎應建立在他所謂的基本性質(zhì)之上：廣延和運動(dòng)。物質(zhì)除了這兩點(diǎn)再沒(méi)有其他屬性。他的一個(gè)重要結論是：某一物質(zhì)對另一物質(zhì)的影響唯有通過(guò)接觸才能發(fā)生。因此為了描述諸如行星的運動(dòng)，笛卡爾不得不引入無(wú)形空間的概念——其中充滿(mǎn)了不可見(jiàn)物質(zhì)。他設想空間是一種復雜的充滿(mǎn)漩渦的海洋，行星就在其中沖浪。
牛頓用他精確制定的、成功的行星運動(dòng)數學(xué)方程，用他的萬(wàn)有引力定律，揭示了所有這些潛在的復雜性。但是牛頓的萬(wàn)有引力定律并不適應于笛卡爾的框架。前者假設物體間的相互作用可以通過(guò)一定距離來(lái)進(jìn)行，不必一定要通過(guò)接觸。例如，根據牛頓定律，太陽(yáng)即使不跟地球接觸，也可以對地球施加引力作用。盡管他的方程為說(shuō)明行星運動(dòng)提供了一個(gè)詳細解釋?zhuān)ｎD本人對這種超距作用并不滿(mǎn)意。牛頓在1693年2月25日寫(xiě)給本特利的信中這樣說(shuō)道：“一個(gè)物體可以不借助任何其他東西穿越虛空距離而作用于另一個(gè)物體，物體通過(guò)虛空進(jìn)行彼此間作用和力的傳遞，這對我來(lái)說(shuō)是很荒謬的。我相信，任何有足夠哲學(xué)思維能力的人都不會(huì )沉溺于此。”
牛頓的方程發(fā)表過(guò)后大約一個(gè)半世紀的時(shí)間里，數學(xué)家們幾乎不曾對此提出過(guò)任何質(zhì)疑，但詹姆斯·克拉克·麥克斯韋卻發(fā)現這樣導出的方程不協(xié)調。1861年，麥克斯韋發(fā)現，他可以通過(guò)在方程中引入額外的項來(lái)消除這種不一致性，換言之，就是假定還存在著(zhù)一種新的物理效應。而邁克爾·法拉第此前早就發(fā)現，當磁場(chǎng)隨時(shí)間變化時(shí)，它們產(chǎn)生電場(chǎng)。麥克斯韋為了解決方程的自洽性，不得不假設存在相反的效應：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。有了這一添加物，場(chǎng)的概念得到了更多的認可和驗證：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，后者反過(guò)來(lái)再產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，如此便形成了每一種自我更新的循環(huán)。
麥克斯韋發(fā)現，他的新方程組，即廣為人知的麥克斯韋方程組，具有純場(chǎng)解決方案，即場(chǎng)以光速在空間運動(dòng)。這一綜合的頂峰便是他得出的結論：這些電場(chǎng)和磁場(chǎng)里自我更新的擾動(dòng)就是光——一個(gè)有待經(jīng)受時(shí)間考驗的結論。對麥克斯韋來(lái)說(shuō)，這些充滿(mǎn)所有空間并可以自己維持生活的場(chǎng)正是上帝榮耀的一個(gè)明確標志：
“廣寬的行星際和星際區域將不再被視為宇宙中無(wú)用的場(chǎng)合，人們不再認為造物主還沒(méi)在他的王國里找到合適的、具有多重象征的東西來(lái)填補其中。我們將發(fā)現，這些場(chǎng)所已經(jīng)充滿(mǎn)了這種神奇的介質(zhì)。它們是如此豐盈，人類(lèi)沒(méi)有任何力量可以將其從哪怕是最小的空間上移去，或在其無(wú)窮的連續體上留下哪怕最輕微的缺損。”
愛(ài)因斯坦對以太的認識是復雜而且多變。在1905年發(fā)表的《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》中這樣寫(xiě)道：“引入‘光以太’將被證明是多余的，因為按照所要發(fā)展的見(jiàn)解，即不需要引入一個(gè)具有特殊性質(zhì)的‘絕對靜止空間’，也不需要給發(fā)生電磁過(guò)程的真空中的每一點(diǎn)規定一個(gè)速度矢量。”
愛(ài)因斯坦的這一強有力的宣示曾經(jīng)讓很多物理學(xué)家困惑不已。在1905年時(shí)，物理學(xué)界面臨的問(wèn)題不是沒(méi)有相對性理論，而是有兩個(gè)相互矛盾的相對性理論。一方面是力學(xué)的相對性理論服從牛頓方程。另一方面是電磁的相對性理論，服從麥克斯韋方程組。進(jìn)一步的研究發(fā)現，需要調整的不是新生的電磁理論，而是古老的牛頓力學(xué)理論。在狹義相對論里，麥克斯韋場(chǎng)方程無(wú)需修改；相反，它們提供了狹義相對論的基礎。事實(shí)上，狹義相對論的思想幾乎要求充滿(mǎn)空間的場(chǎng)，也正是在這個(gè)意義上解釋了它們?yōu)槭裁创嬖诘睦碛伞?/span>
早在1899年，德國人普朗克提出了第一個(gè)最終發(fā)展成為量子力學(xué)的第一個(gè)概念。普朗克提出，原子可以與電磁場(chǎng)交換能量，也就是說(shuō)，可以發(fā)射和吸收電磁輻射，譬如光，但只能以離散的單位量的形式，或者說(shuō)以量子的形式進(jìn)行。但普朗克的概念?lèi)?ài)因斯坦不甚滿(mǎn)意，他假設，不僅原子發(fā)射和吸收光（和一般的電磁輻射）是以離散單位進(jìn)行的，而且光本身就是以離散的能量單位出現的，并且帶著(zhù)離散單位動(dòng)量傳播。有了這些擴張，愛(ài)因斯坦能夠解釋更多的事實(shí)，并預言了新的現象——其中就包括他于1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的主要工作即有關(guān)光電效應的預言。但愛(ài)因斯坦明白：普朗克概念與現行物理定律不相符，但有效。現行的這些物理定律一定有錯！
如果光以能量和動(dòng)量包的形式傳播，那么，光本身以及這些包看成是電磁粒子就自然而然了。場(chǎng)的概念可能更方便，但愛(ài)因斯坦從來(lái)不是一個(gè)貪圖方便而將其當成原理的物理學(xué)家。對他而言，空間充滿(mǎn)實(shí)體的概念，就像是以無(wú)限大的速度經(jīng)過(guò)某物卻看到它與靜止時(shí)看到的一樣。
到1920年代，愛(ài)因斯坦的廣義相對論問(wèn)世后，他的態(tài)度發(fā)生了變化。事實(shí)上，廣義相對論更多的是一個(gè)基于以太的引力場(chǎng)論。盡管如此，愛(ài)因斯坦從未放棄對消除電磁以太的努力。愛(ài)因斯坦本人在1920年5月5日在荷蘭萊頓大學(xué)的演講中這樣說(shuō)道：
“如果我們從以太假說(shuō)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)考慮引力場(chǎng)和電磁場(chǎng)，我們就會(huì )發(fā)現兩者之間有一個(gè)明顯的不同。可以說(shuō)沒(méi)有一種空間，也沒(méi)有任何空間部分是沒(méi)有引力勢的；因為這些引力勢規定了空間的度規性質(zhì)，而沒(méi)有這些度規性質(zhì)則是根本無(wú)法想象的。引力場(chǎng)的存在于空間的存在是直接相關(guān)的。但另一方面，在一部分空間內不存在電磁場(chǎng)則是完全可以想象的。”
歷史地看，狹義相對論肇始于電和磁的研究，導致了麥克斯韋的場(chǎng)論，但它又超越了電磁理論。它的本質(zhì)是對稱(chēng)性假設：當你在具有恒定相對速度的兩個(gè)參照系考察同一物體時(shí)，物理學(xué)定律應具有同樣的形式。這一假設是一個(gè)普適性陳述，超越了其電磁根源：狹義相對論的坐標變換對稱(chēng)性適用于所有的物理學(xué)定律。狹義相對論的一個(gè)主要的結果是存在有限的速度：光速，即零質(zhì)量粒子在真空中的傳播速度。一個(gè)粒子對另一個(gè)粒子的影響不能傳播得比光速更快。
但是牛頓的萬(wàn)有引力定律——遙遠物體受到的引力與其當前距離的平方成反比就不服從這一法則，所以它與狹義相對論不相容。事實(shí)上，“當前”這個(gè)概念本身就是個(gè)問(wèn)題。對于靜止觀(guān)察者同時(shí)發(fā)生的事件對以恒定速度移動(dòng)的觀(guān)察者來(lái)說(shuō)將不會(huì )同時(shí)發(fā)生。愛(ài)因斯坦本人認為，推翻“當前”這個(gè)一般性概念，迄今為止仍然是達到狹義相對論認識論的最為困難的一步。但是如果場(chǎng)服從簡(jiǎn)單的方程組，那么在存在有限速度的前提下，這種從粒子描述到場(chǎng)的描述的轉換就會(huì )變得富有成效，這樣我們可以從場(chǎng)的的值計算出來(lái)它們的未來(lái)值而不必考慮其過(guò)去的值。麥克斯韋電磁理論、廣義相對論和量子色動(dòng)力學(xué)都具有這種屬性。在廣義相對論里，愛(ài)因斯坦用彎曲時(shí)空的概念來(lái)構建他的引力理論。
我們回到標準模型：W和Z玻色子，根據定義它們的方程組，它們本應該像光子和色膠子一樣都是無(wú)質(zhì)量的粒子。但物理學(xué)家們卻設法讓W(xué)和Z玻色子獲得質(zhì)量。而且他們也知道，在自然界里，還有原子紅奇特的物理狀態(tài)也可以使無(wú)質(zhì)量的受力粒子獲得質(zhì)量。使受力粒子變重的模型是超導電性。在超導體內，光子變得沉重。
我們知道，光子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中推動(dòng)擾動(dòng)。在超導體內，電子對電場(chǎng)和磁場(chǎng)反應強烈。電子恢復平衡的能力非常強大，它們能對場(chǎng)的運動(dòng)施加一種遲滯作用。因此在超導體內，光子不是像通常那樣按光速運動(dòng)，而是要緩慢得多。就好像它們獲得了某種慣性。當你研究方程時(shí)，你會(huì )發(fā)現，超導體內慢下來(lái)的光子所服從的運動(dòng)方程與非零質(zhì)量粒子的運動(dòng)方程是一樣的。
質(zhì)量一向被認為是物質(zhì)的一種確定的屬性，質(zhì)言之，質(zhì)量是一種使物質(zhì)可稱(chēng)其為物質(zhì)的特性。愛(ài)因斯坦認為宇宙應有一個(gè)無(wú)論是在時(shí)間上還是在空間上都不變的密度。但是，引力是一種普遍的吸引力，物體都不愿意分開(kāi)。引力總是試圖把物體合在一起。愛(ài)因斯坦提出的
量子色動(dòng)力學(xué)是一種非常強大的理論。通過(guò)將無(wú)質(zhì)量或幾乎無(wú)質(zhì)量的對象諸如夸克、膠子的計算能夠給出它們的質(zhì)量，然而，這也當然不是任何意義上的質(zhì)量，只是我們的質(zhì)量，即組成我們自身的質(zhì)子和中子的質(zhì)量。也就是說(shuō)，量子色動(dòng)力學(xué)方程組可以從無(wú)質(zhì)量的輸入得到質(zhì)量的輸出。那，這是為什么？
首先是夸克的色荷產(chǎn)生一種網(wǎng)格擾動(dòng)——具體地說(shuō)，是膠子場(chǎng)擾動(dòng)——這種擾動(dòng)隨距離加大而增長(cháng)。就像一個(gè)奇異的風(fēng)暴云團，它從最初的中心的一縷云煙發(fā)展成為一種不祥的雷暴云團。擾動(dòng)場(chǎng)意味著(zhù)將其推向高能態(tài)。如果你持續擾動(dòng)無(wú)限容量的場(chǎng)，所需的能量將會(huì )變成無(wú)限大。
其次是可以通過(guò)讓一個(gè)帶相反色荷的反夸克去接近夸克來(lái)迅速遏制。然后，這兩個(gè)擾動(dòng)源相互抵消并恢復平靜。如果反夸克不偏不倚地正好位于夸克的正上方，那么這種抵消是徹底的。這將會(huì )是膠子場(chǎng)的擾動(dòng)最小化：即“無(wú)”。但是徹底抵消還需要付出代價(jià)：它源自夸克和反夸克的量子力學(xué)性質(zhì)。
根據海森伯的不確定性原理，要獲得準確的粒子位置信息，就必須讓粒子具有很寬的動(dòng)量范圍，特別是要有粒子的大動(dòng)量。但大的動(dòng)量意味著(zhù)大的能量。所以，更準確地說(shuō)，要使粒子局域化，就必須更多能量。
再次是我們應該回到愛(ài)因斯坦的質(zhì)量與能量關(guān)系方程中來(lái)考察。由于有兩種方向相反的互相競爭的作用，要消除夸克對場(chǎng)的擾動(dòng)，同時(shí)盡量減少能量，并使反夸克局域化，所以就必須賦予反夸克相應的活動(dòng)余地。這樣雙方在彼此抵消后的總質(zhì)量不能為零，即
任意兩質(zhì)點(diǎn)之間的萬(wàn)有引力，就是組成物質(zhì)的粒子之間通過(guò)交換“引力子”實(shí)現的。而在廣義相對論中，物體之間的萬(wàn)有引力則被認為是時(shí)空彎曲的表現。物質(zhì)的存在使得它周?chē)臅r(shí)空發(fā)生彎曲，而物體在彎曲的時(shí)空中沿測地線(xiàn)運動(dòng)，就自然地表現為相互吸引。
牛頓萬(wàn)有引力定律指出：兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的萬(wàn)有引力，與它們的質(zhì)量乘積成正比，與它們二者之間距離的平方成反比。它實(shí)際上是廣義相對論的引力理論在靜態(tài)弱引力場(chǎng)中低速運動(dòng)情況下的一種近似。
1913年，偉大的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦提出了萬(wàn)有引力場(chǎng)論。愛(ài)因斯坦認為任何帶有質(zhì)量的物體周?chē)即嬖谟幸?chǎng)，引力場(chǎng)是通過(guò)引力波來(lái)傳播的，引力波像電磁波那樣通過(guò)媒介子傳播，我們都知道電磁波是通過(guò)光子來(lái)傳播能量的，因此它的媒介子是光子，引力波在傳播能量的過(guò)程中，同樣有媒介子的作用，愛(ài)因斯坦把這一媒介子稱(chēng)之為引力子。引力子以光速傳播，它的質(zhì)量與光子一樣為0。
經(jīng)過(guò)這么多年的探索，人們一直沒(méi)能在宇宙中發(fā)現它的蹤影，我們沒(méi)有足夠的證據證明它的存在，也沒(méi)有足夠的證據否認它的存在。因此，探索引力子是否存在成為科學(xué)界的一大難題。
雖然引力子在宇宙中無(wú)處不在，但探索之路仍然是舉步維艱。有學(xué)者認為，引力之微弱表明，其媒介子引力子幾乎不與其它的物質(zhì)發(fā)生反應，這是我們長(cháng)期探測不到它的原由，這個(gè)理由雖然很有說(shuō)服力，但也不足以證明引力子是存在的事實(shí)。
試圖找到一種更有說(shuō)服力的方法，就是證明引力波的存在，從而間接的證明引力子的存在。如果可以證明宇宙中有引力波存在，那么引力波必定有與之對應的媒介子引力子來(lái)傳遞能量。
引力波在宇宙中是普遍存在的，星體的加速旋轉，相撞，吞并等都可以使引力場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)并產(chǎn)生引力波，但由于引力波與引力子一樣很難與其它物質(zhì)發(fā)生反應，以至于至今我們無(wú)法探測它的存在，只能間接地通過(guò)觀(guān)測行星發(fā)生引力輻射，而導致周期的變化證實(shí)它的存在。
引力輻射是引力波的另一種稱(chēng)呼，它是指引力波從星體或星系中輻射出來(lái)的現象，如果證明了引力輻射的存在就等于證實(shí)了引力波的存在。
為什么這樣說(shuō)呢？
引力輻射是一種能量的輻射。假如一個(gè)行星圍繞恒星運動(dòng)，恒星的旋轉會(huì )伴隨有引力輻射的發(fā)生，使得行星的運轉軌道發(fā)生變化，其主要變化特征表現在行星運動(dòng)周期的減小，如果行星的運動(dòng)周期減小，那么就能說(shuō)明引力輻射的發(fā)生。
這一現象在1974年，被赫爾斯和泰勒二人所證實(shí)。他們對脈沖雙星PSR1913+16進(jìn)行觀(guān)測，發(fā)現它們的公轉周期變小率為（-2.40±0.09）×10 ，這個(gè)數值與廣義相對論的計算符合的很好，廣義相對論的預言值為（-2.403±0.002）×10 ，這一點(diǎn)充分證明了引力輻射的存在。
引力輻射的存在，意味著(zhù)引力波在宇宙中是存在的，并且無(wú)所不在。同時(shí)也證明了引力波的媒介子引力子的存在。
通過(guò)這些論斷，可以證明引力子在宇宙中是必定存在的，只不過(guò)我們無(wú)法探測到。引力子的無(wú)法探測性，其實(shí)并不影響我們尋求量子引力理論，因為量子引力理論建立的基礎是場(chǎng)，而不是粒子。
廣義相對論
牛頓的萬(wàn)有引力定律很好地解釋了地面上物體所受的重力、海洋的潮汐和行星與天體的運動(dòng)，把天上的運動(dòng)和地上的運動(dòng)統一了起來(lái)，具有非常重要的意義。但讓牛頓感到遺憾的是，他一直沒(méi)能解釋清楚兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間為什么會(huì )有引力？這個(gè)問(wèn)題被愛(ài)因斯坦的廣義相對論很好地解決了。
廣義相對論實(shí)際上就是關(guān)于萬(wàn)有引力本質(zhì)的理論。它認為，一個(gè)有質(zhì)量的物體，會(huì )使它周?chē)臅r(shí)空發(fā)生彎曲，在這個(gè)彎曲的時(shí)空里，一切物體都將自然地沿測地線(xiàn)（也叫做“短程線(xiàn)”）運動(dòng)，而表現為向一塊靠攏。我們看不到時(shí)空的彎曲，只看到物體在互相靠攏，就認為它們之間存在著(zhù)一種“萬(wàn)有引力”，實(shí)際上物體之間表現出來(lái)的這種萬(wàn)有引力，并不是一種真正的力，而是時(shí)空彎曲的表現。
四維時(shí)空的彎曲我們不好想象，但是可以降一維（在二維平面上）做個(gè)比喻。設想有一塊布把它懸空展平，上面放一個(gè)小球，它就會(huì )把布壓彎，在另一個(gè)地方再放一個(gè)小球，它也會(huì )把它周?chē)牟級簭潯Ｎ覀兛吹剑@兩個(gè)小球就會(huì )自然地向一塊靠攏，這是它們在沿各自的測地線(xiàn)運動(dòng)的結果。我們看不到布的彎曲，只看到小球在向一起靠攏，就說(shuō)它們之間有個(gè)引力存在，其實(shí)它只是時(shí)空彎曲的表現而已。
這種解釋在水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)、光線(xiàn)在引力場(chǎng)中的彎曲、引力紅移等問(wèn)題上得到了很好的檢驗，其后在大量更精密的實(shí)驗中得到了進(jìn)一步的檢驗，與實(shí)驗符合得很好。廣義相對論被認為是一種最好的萬(wàn)有引力理論。
引力傳播速度
中國科學(xué)家測得引力傳播速度。
經(jīng)過(guò)10多年的持續探索，中國科學(xué)家在世界上成功獲得“引力場(chǎng)以光速傳播”的第一個(gè)觀(guān)測證據。這項原始創(chuàng )新成果，實(shí)現了物理學(xué)界多年來(lái)對通過(guò)實(shí)驗或觀(guān)測獲得引力場(chǎng)傳播速度的期待，對引力場(chǎng)的理論和實(shí)驗研究具有重要意義。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所26日下午在北京對外宣布，由該所湯克云研究員領(lǐng)銜、中國地震局和中國科學(xué)院大學(xué)有關(guān)科研人員組成的科學(xué)團組，經(jīng)過(guò)10多年的持續探索在實(shí)施多次日食期間的固體潮觀(guān)測后，發(fā)現現行地球固體潮公式實(shí)際上暗含著(zhù)引力場(chǎng)以光速傳播的假定，從而提出用固體潮測量引力傳播速度的方法。
湯克云科學(xué)團組先后實(shí)施1997年漠河日全食觀(guān)測、2001年贊比亞日全食觀(guān)測、2002年澳大利亞日全食觀(guān)測、2008年嘉峪關(guān)日全食觀(guān)測、2009年上海-杭州-湖州日全食觀(guān)測和2010年云南大理日環(huán)食觀(guān)測，主要是重力固體潮觀(guān)測。
中國科學(xué)家們觀(guān)測研究發(fā)現：現今固體潮理論公式中隱含著(zhù)引力場(chǎng)以光速傳播的假定，進(jìn)而導出引力傳播速度方程，并找到求解引力場(chǎng)速度的有效方法。湯克云科學(xué)團組隨后選擇遠離太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋的西藏獅泉河站和新疆烏什站的固體潮數據作相關(guān)校正后，代入引力傳播速度方程，最終獲得全球“引力場(chǎng)以光速傳播”的第一個(gè)觀(guān)測證據。
專(zhuān)家介紹說(shuō)，牛頓的萬(wàn)有引力定律表明，引力傳播是一種超距作用，引力可以在瞬間傳播至任意遠處，愛(ài)因斯坦則認為牛頓的超距作用應該放棄。一直以來(lái)，整個(gè)物理學(xué)界都在期待著(zhù)通過(guò)實(shí)驗或觀(guān)測獲得引力場(chǎng)傳播的速度，但此前均未找到正確的實(shí)驗或觀(guān)測方法。
推理依據
伽利略在1632年實(shí)際上已經(jīng)提出離心力和向心力的初步想法。布里阿德在1645年提出了引力平方比關(guān)系的思想。牛頓在1665～1666年的手稿中，用自己的方式證明了離心力定律，但向心力這個(gè)詞首先出現在《論運動(dòng)》的第一個(gè)手稿中。一般人認為離心力定律是惠更斯在1673年發(fā)表的《擺鐘》一書(shū)中提出來(lái)的。根據1684年8月～10月的《論回轉物體的運動(dòng)》一文手稿中，牛頓可能在這個(gè)手稿中第一次提出向心力及其定義。
萬(wàn)有引力與相作用的物體的質(zhì)量乘積成正比，是發(fā)現引力平方反比定律過(guò)渡到發(fā)現萬(wàn)有引力定律的必要階段.·牛頓從1665年至1685年，花了整整20年的時(shí)間，才沿著(zhù)離心力—向心力—重力—萬(wàn)有引力概念的演化順序，終于提出“萬(wàn)有引力”這個(gè)概念和詞匯。·牛頓在《自然哲學(xué)的數學(xué)原理》第三卷中寫(xiě)道：“最后，如果由實(shí)驗和天文學(xué)觀(guān)測，普遍顯示出地球周?chē)囊磺刑祗w被地球重力所吸引，并且其重力與它們各自含有的物質(zhì)之量成比例，則月球同樣按照物質(zhì)之量被地球重力所吸引。另一方面，它顯示出，我們的海洋被月球重力所吸引；并且一切行星相互被重力所吸引，彗星同樣被太陽(yáng)的重力所吸引。由于這個(gè)規則，我們必須普遍承認，一切物體，不論是什么，都被賦與了相互的引力（gravitation）的原理。因為根據這個(gè)表象所得出的一切物體的萬(wàn)有引力（universal gravitation）的論證……”
牛頓在1665～1666年間只用離心力定律和開(kāi)普勒第三定律，因而只能證明圓軌道上的而不是橢圓軌道上的引力平方反比關(guān)系。在1679年，他知道運用開(kāi)普勒第二定律，但是在證明方法上沒(méi)有突破，仍停留在1665～1666年的水平。只是到了1684年1月，哈雷、雷恩、胡克和牛頓都能夠證明圓軌道上的引力平方反比關(guān)系，都已經(jīng)知道橢圓軌道上遵守引力平方反比關(guān)系，但是最后可能只有牛頓才根據開(kāi)普勒第三定律、從離心力定律演化出的向心力定律和數學(xué)上的極限概念或微積分概念，才用幾何法證明了這個(gè)難題。
假設檢驗
牛頓的猜想
地球與太陽(yáng)之間的吸引力與地球對周?chē)矬w的引力可能是同一種力，遵循相同的規律。
猜想的依據
（1）行星與太陽(yáng)之間的引力使行星不能飛離太陽(yáng)，物體與地球之間的引力使物體不能離開(kāi)地球；（2）在離地面很高的距離里，都不會(huì )發(fā)現重力有明顯的減弱，那么這個(gè)力必然延伸到很遠的地方。
檢驗的思想
檢驗的結果
地面物體所受地球的引力，與月球所受地球的引力是同一種力。
內部公式
外部公式：
適用范圍
經(jīng)典萬(wàn)有引力定律反映了一定歷史階段人類(lèi)對引力的認識，在十九世紀末發(fā)現，水星在近日點(diǎn)的移動(dòng)速度比理論值大，即發(fā)現水星軌道有旋緊，軌道旋緊的快慢的實(shí)際值為每世紀42.9″。這種現象用萬(wàn)有引力定律無(wú)法解釋?zhuān)鶕V義相對論計算的結果旋緊是每世紀43.0″，在觀(guān)測誤差允許的范圍內。此外，廣義相對論還能較好地解釋譜線(xiàn)的紅移和光線(xiàn)在太陽(yáng)引力作用下的偏轉等現象。這表明廣義相對論的引力理論比經(jīng)典的引力理論進(jìn)了一步。
在法拉第和麥克斯韋之后，人們看到物理的實(shí)在除了粒子還有電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)具有動(dòng)量和能量且能傳播電磁波。這使人們聯(lián)想萬(wàn)有引力定律也是物理的實(shí)在，能傳播引力波，也有許多人努力探測它，但尚無(wú)很好的結果。電磁波的傳播可用光子解釋?zhuān)?lèi)似地，光子也導致引力子概念的引出。萬(wàn)有引力也不再是超距作用，而以引力子為媒介。但這些都是物理學(xué)家正在探索的領(lǐng)域。
經(jīng)典力學(xué)的適用范圍并引入普朗克常量和真空中光速來(lái)界定經(jīng)典力學(xué)的領(lǐng)地。粗糙的說(shuō)，經(jīng)典的萬(wàn)有引力定律適用范圍也可用一數量表示。現在引入引力半徑，G、m分別表示引力常量和產(chǎn)生引力場(chǎng)的球體的球體的質(zhì)量，c為光速。用R表示產(chǎn)生力場(chǎng)球體之半徑，若，則可用牛頓引力定律。對于太陽(yáng)，,應用牛頓引力定律無(wú)問(wèn)題；即使是對致密的白矮星，，也仍然可用牛頓萬(wàn)有引力定律；至于黑洞和宇宙大爆炸，應當是應用廣義相對論的。
引力常量
牛頓在推出萬(wàn)有引力定律時(shí)，沒(méi)能得出引力常量G的具體值。G的數值于1789年由卡文迪許利用他所發(fā)明的扭秤得出。卡文迪許的扭秤試驗，不僅以實(shí)踐證明了萬(wàn)有引力定律，同時(shí)也讓此定律有了更廣泛的使用價(jià)值。
扭秤的基本原理是在一根剛性桿的兩端連結相距一定高度的兩個(gè)相同質(zhì)量的重物，通過(guò)秤桿的中心用一扭絲懸掛起來(lái)。秤桿可以繞扭絲自由轉動(dòng)，當重力場(chǎng)不均勻時(shí)，兩個(gè)質(zhì)量所受的重力不平行。這個(gè)方向上的微小差別在兩個(gè)質(zhì)量上引起小的水平分力，并產(chǎn)生一個(gè)力矩使懸掛系統繞扭絲轉動(dòng)，直到與扭絲的扭矩平衡為止。扭絲上的小鏡將光線(xiàn)反射到記錄相板上。當扭絲轉動(dòng)時(shí)，光線(xiàn)在相板上移動(dòng)的距離標志著(zhù)扭轉角的大小。平衡位置與扭秤常數和重力位二次導數有關(guān)。在一個(gè)測點(diǎn)上至少觀(guān)測3個(gè)方位，確定4個(gè)二次導數值，測量精度一般達幾厄缶。
根據扭力系統的構造形狀，分為z型、L型和斜臂式扭秤。z型扭秤由一個(gè)輕金屬制成的z型秤臂、兩個(gè)質(zhì)量相等的重荷和一根細金屬絲組成的。兩個(gè)重荷分別固定在z型秤臂的兩端。細金屬絲將整個(gè)系統懸掛起來(lái)，組成一套扭力系統。由于兩個(gè)重荷處于不同的位置，所以，當通過(guò)兩個(gè)重荷的重力等位面Q?和Q?。互不平行或彎曲時(shí)，兩個(gè)重荷將受到重力場(chǎng)水平分量的作用。當重力場(chǎng)水平分量gH?和gH?的大小和方向不同時(shí)，稈臂就要繞著(zhù)扭絲轉動(dòng)，直到水平旋轉的重力矩和扭絲的扭力矩相平衡為止。秤臂偏轉的角度除和扭力系統的構造和扭絲的扭力系數有關(guān)外，還和兩個(gè)重荷間的重力變化有關(guān)。因此，準確記錄扭力系統的偏角，就可以求出重力位的二次導數。由于扭力系統的靈敏度很高，秤臂穩定下來(lái)的時(shí)間較長(cháng)。同時(shí)還需要在3～5個(gè)方向上照相記錄，所以，儀器附有自動(dòng)控制系統，并安放在特制的小房里工作。儀器的操作和測量結果的計算都比較煩瑣，每測—個(gè)點(diǎn)需要2～3小時(shí)，工件效率較低。
扭秤的測量結果用矢量圖表示，用一短線(xiàn)表示曲率，矢量方向相應于最小曲率平面的方位，矢量長(cháng)度表示等位面曲率差大小。在短線(xiàn)中心以箭頭畫(huà)出總梯度，指向重力增加的方向。
扭秤的靈敏度很高并可測多個(gè)參數，但是也有其不足之處。由于具有極高的靈敏度，對于測試環(huán)境的要求也很高，易受外界干擾，包括溫度、地面震動(dòng)、大氣壓強波動(dòng)、扭絲的滯彈性效應等。因此對于精度要求不高的重力測量工作，一般都是重力儀去完成。但是對于高精度的測量，如引力物理方面的測量，以及高精度儀器的驗證以及標定，都需要利用扭秤來(lái)完成。因此即便是如今，扭秤在實(shí)驗物理領(lǐng)域也有著(zhù)相當重要的地位。
卡文迪許測出的G=6.67×10?11N·m2/kg2 ，與現在的公認值6.67×10?11N·m2/kg2極為接近；直到1969年G的測量精度還保持在卡文迪許的水平上。
科學(xué)意義
萬(wàn)有引力定律的發(fā)現，是17世紀自然科學(xué)最偉大的成果之一。它把地面上物體運動(dòng)的規律和天體運動(dòng)的規律統一了起來(lái)，對以后物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展具有深遠的影響。它第一次解釋了（自然界中四種相互作用之一）一種基本相互作用的規律，在人類(lèi)認識自然的歷史上樹(shù)立了一座里程碑。
萬(wàn)有引力定律揭示了天體運動(dòng)的規律，在天文學(xué)上和宇宙航行計算方面有著(zhù)廣泛的應用。它為實(shí)際的天文觀(guān)測提供了一套計算方法，可以只憑少數觀(guān)測資料，就能算出長(cháng)周期運行的天體運動(dòng)軌道，科學(xué)史上哈雷彗星、海王星、冥王星的發(fā)現，都是應用萬(wàn)有引力定律取得重大成就的例子。利用萬(wàn)有引力公式，開(kāi)普勒第三定律等還可以計算太陽(yáng)、地球等無(wú)法直接測量的天體的質(zhì)量。牛頓還解釋了月亮和太陽(yáng)的萬(wàn)有引力引起的潮汐現象。他依據萬(wàn)有引力定律和其他力學(xué)定律，對地球兩極呈扁平形狀的原因和地軸復雜的運動(dòng)，也成功的做了說(shuō)明。推翻了古代人類(lèi)認為的神之引力。
對文化發(fā)展有重大意義：使人們建立了有能力理解天地間的各種事物的信心，解放了人們的思想，在科學(xué)文化的發(fā)展史上起了積極的推動(dòng)作用。
力學(xué)應用
自由落體運動(dòng)
同理亦可得出a2.
請注意上述方程中的a1，質(zhì)量m1的加速度，在實(shí)際上并不取決于m1的取值。因此可推論出對于任何物體，無(wú)論它們的質(zhì)量為多少，它們都將按照同樣的比率向地面墜落（忽略空氣阻力）。
如果物體運動(dòng)過(guò)程中r只有極微小的改變——譬如地面附近的自由落體運動(dòng)——重力加速度將幾乎保持不變（參看條目地心引力）。而對于一個(gè)龐大物體，由于r的變化導致的不同位點(diǎn)所受重力的變化，將會(huì )引起巨大而可觀(guān)的潮汐力作用。
令m1為地球質(zhì)量5.98*102?kg，m2為1kg，R為地球半徑6380000m，代入萬(wàn)有引力公式，計算出F=9.8N，這說(shuō)明1kg的物體在地球表面受重力為9.8N。換句話(huà)說(shuō)，等式兩邊同除以m2，結果就是重力加速度g。
具有空間廣度的物體：
如果被討論的物體具有空間廣度（遠大于理論上的質(zhì)點(diǎn)），它們之間的萬(wàn)有引力可以以物體的各個(gè)等效質(zhì)點(diǎn)所受萬(wàn)有引力之和來(lái)計算。在極限上，當組成質(zhì)點(diǎn)趨近于“無(wú)限小”時(shí)，將需要求出兩物體間的力（矢量式見(jiàn)下文）在空間范圍上的積分。
從這里可以得出：如果物體的質(zhì)量分布呈現均勻球狀時(shí)，其對外界物體施加的萬(wàn)有引力吸引作用將同所有的質(zhì)量集中在該物體的幾何中心原理時(shí)的情況相同。（這不適用于非球狀對稱(chēng)物體）。
矢量式：
地球附近空間內的重力示意圖：在此數量級上地球表面的彎曲可被忽略不計，因此力線(xiàn)可以近似地相互平行并且指向地球的中心牛頓萬(wàn)有引力定律亦可通過(guò)矢量方程的形式進(jìn)行表述而用以計算萬(wàn)有引力的方向和大小。在下列公式中，以粗體顯示的量代表矢量。
其中：
F??: 物體1對物體2的引力
G:萬(wàn)有引力常量
m?與m?: 分別為物體1和物體2的質(zhì)量
r?? = | r? r? |: 物體2和物體1之間的距離
r?1= r?+r? 物體2和物體1之間的距離
: 物體1到物體2的單位矢量
同樣，重力加速度的矢量式方程與其標量式方程相類(lèi)似。
重力與引力
1.重力是由于地球的吸引而產(chǎn)生的，但能否說(shuō)萬(wàn)有引力就是重力呢？分析這個(gè)問(wèn)題應從地球自轉入手。由于地球自轉，地球上的物體隨之做圓周運動(dòng)，所受的向心力F?=mrω2=mRω2cosa,F?是引力F提供的，它是F的一個(gè)分力，cosa是引力F與赤道面的夾角的余弦值，F的另一個(gè)分力F?就是物體所受的重力，即F?=mg。
由此可見(jiàn)，地球對物體的萬(wàn)有引力是物體受到重力的原因，但重力不完全等于萬(wàn)有引力，這是因為物體隨地球自轉，需要有一部分萬(wàn)有引力來(lái)提供向心力。
2.重力與萬(wàn)有引力間的大小關(guān)系
（1）重力與緯度的關(guān)系
在赤道上滿(mǎn)足mg=F-F向（物體受萬(wàn)有引力和地面對物體的支持力Fn的作用，其合力充當向心力，Fn的大小等于物體的重力的大小）。
（2）重力、重力加速度與高度的關(guān)系
在距地面高度為h的高處，若不考慮地球自轉的影響時(shí)，則
距地面高為h處，其重力加速度
一個(gè)天體環(huán)繞另一個(gè)中心天體做勻速圓周運動(dòng)。其向心力由萬(wàn)有引力提供。即
重力場(chǎng)：
球狀星團M13 證明重力場(chǎng)的存在。重力場(chǎng)是用于描述在任意空間內某一點(diǎn)的物體每單位質(zhì)量所受萬(wàn)有引力的矢量場(chǎng)。而在實(shí)際上等于該點(diǎn)物體所受的重力加速度。
以下是一個(gè)普適化的矢量式，可被應用于多于兩個(gè)物體的情況（例如在地球與月球之間穿行的火箭）的計算。對于兩個(gè)物體的情況（比如說(shuō)物體1是火箭，物體2是地球）來(lái)說(shuō)，我們可以用 替代并用m替代m?來(lái)將重力場(chǎng)表示為：
因此我們可以得到：
該公式不受產(chǎn)生重力場(chǎng)的物體的限制。重力場(chǎng)的單位為力除以質(zhì)量的單位；在國際單位制上，被規定為N·kgㄢ（牛頓每千克）。
天體力學(xué)領(lǐng)域
1.計算天體質(zhì)量
(1)計算地球質(zhì)量
若不考慮地球自轉，地面上物體所受重力即地球對它的萬(wàn)有引力
(2)計算太陽(yáng)質(zhì)量
即
運用類(lèi)似方法已知人造衛星質(zhì)量，衛星繞某天體運動(dòng)的周期和軌道半徑
可算出天體質(zhì)量
2.估算天體密度
若設某天體半徑R,衛星繞天體表面運行時(shí)，軌道半徑為R,
又測得已知運行周期為T(mén)
設衛星質(zhì)量為m 則
體積
存在問(wèn)題
簡(jiǎn)介
盡管牛頓對重力的描述對于眾多實(shí)踐運用來(lái)說(shuō)十分地精確，但它也具有幾大理論問(wèn)題且被證明是不完全正確的。
理論問(wèn)題
沒(méi)有任何征兆表明重力的傳送媒介可以被識別出，牛頓自己也對這種無(wú)法說(shuō)明的超距作用感到不滿(mǎn)意（參看后文條目“局限性”）。
牛頓的理論需要定義重力可以瞬時(shí)傳播。因此給出了古典自然時(shí)空觀(guān)的假設，這樣亦能使約翰內斯·開(kāi)普勒所觀(guān)測到的角動(dòng)量守恒成立。但是，這與愛(ài)因斯坦的狹義相對論理論有直接的沖突，因為狹義相對論定義了速度的極限——真空中的光速——在此速度下信號可以被傳送。
觀(guān)測問(wèn)題
牛頓的理論并不能完全地解釋出水星在沿其軌道運動(dòng)到近日點(diǎn)時(shí)出現的進(jìn)動(dòng)現象。牛頓學(xué)說(shuō)的預言（由其它行星的重力拖曳產(chǎn)生）與實(shí)際觀(guān)察到的進(jìn)動(dòng)相比每世紀會(huì )出現43弧秒的誤差。
牛頓的理論預言的重力作用下光線(xiàn)的偏折只有實(shí)際觀(guān)測結果的一半。廣義相對論則與觀(guān)察結果更為接近。
理論局限性
當牛頓非凡的工作使萬(wàn)有引力定律能夠為數學(xué)公式所表示后，他仍然不滿(mǎn)于公式中所隱含的“超距作用”觀(guān)點(diǎn)。他從來(lái)沒(méi)有在他的文字中“賦予產(chǎn)生這種能力的原因”。在其它情況下，他使用運動(dòng)的現象來(lái)解釋物體受到不同力的作用的原因，但是對于重力這種情況，他卻無(wú)法用實(shí)驗方法來(lái)確認運動(dòng)產(chǎn)生了重力。此外，他甚至還拒絕對這個(gè)由地面產(chǎn)生的力的起因提出假設，而這一切都違背了科學(xué)證據的原則。
牛頓的經(jīng)典力學(xué)只適用于低速、宏觀(guān)、弱引力，而不適用于高速、微觀(guān)與強引力。
牛頓對重力的發(fā)現埋葬了“哲學(xué)家至今仍在愚蠢地試圖探索自然”(philosophers have hitherto attempted the search of nature in vain)這句所謂的真理，就同他深信著(zhù)的“有各種因素”使得“各種迄今未知的原因”是所有“自然現象”的基礎。這些基本的現象至今仍在研究中，而且，雖然存在著(zhù)許多種的假設，最終答案仍然沒(méi)有找出。雖然愛(ài)因斯坦的假設的確比牛頓的假設更能精確地解釋確定案例中萬(wàn)有引力的作用效果，但是他也從來(lái)沒(méi)有在他的理論中為這種能力賦予一個(gè)原因。在愛(ài)因斯坦的方程式中，“物質(zhì)告訴空間怎么扭曲，空間告訴物質(zhì)怎么移動(dòng)”(matter tells space how to curve, and space tells matter how to move)，但是這個(gè)完全異于牛頓世界的新的思想，也不能使愛(ài)因斯坦所賦予“產(chǎn)生這種能力的原因”比萬(wàn)有引力定律使牛頓所賦予的原因更能使空間產(chǎn)生扭曲。牛頓自己說(shuō)：
我還沒(méi)有能力去從現象中發(fā)現產(chǎn)生這些重力特性的原因，而且我無(wú)法臆測……我所解釋的定律和豐富的天體運動(dòng)的計算已經(jīng)足夠于說(shuō)明重力的確存在并能產(chǎn)生效果。一個(gè)物體可以不通過(guò)任何介質(zhì)穿過(guò)真空間的距離對另一個(gè)物體產(chǎn)生作用，在此之上它們的活動(dòng)和力可以傳送自對方，這對于我來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直就是一個(gè)天大的謬論。因此，我相信，任何有足夠的哲學(xué)思維能力的人都不會(huì )沉溺于此。I have not yet been able to discover the cause of these properties of gravity from phenomena and I feign no hypotheses... It is enough that gravity does really exist and acts according to the laws I have explained, and that it abundantly serves to account for all the motions of celestial bodies. That one body may act upon another at a distance through a vacuum without the mediation of anything else, by and through which their action and force may be conveyed from one another, is to me so great an absurdity that, I believe, no man who has in philosophic matters a competent faculty of thinking could ever fall into it.
需注意的是，這里使用的單詞“原因(cause)”并不是“起因(cause)和影響”或者“被告導致(cause)受害者死亡”中所表示的意義。何況，當牛頓使用單詞“原因(cause)”時(shí)，他（明顯地）意指為一種“解釋”。或者說(shuō)，像“牛頓學(xué)說(shuō)的重力是行星運動(dòng)的原因”這個(gè)短語(yǔ)的意思就是牛頓學(xué)說(shuō)的重力解釋了行星的運動(dòng)。
演化過(guò)程
過(guò)往理論
亞里士多德引力理論 亞里士多德認為，物體的運動(dòng)速度和其所受外界的合力是成正比(或者是該物體所受的自己本身的引力)，并且和物體運動(dòng)介質(zhì)的粘度成反比。
尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）宣布但是從未發(fā)表的引力動(dòng)力學(xué)理論；部分原因是因為理論的細節（如果有的話(huà)）并沒(méi)有透露，并沒(méi)有得到物理學(xué)家們的重視。
感應引力（Induced Gravity），由安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）提出，認為廣義相對論可能起源于量子場(chǎng)論。
雷薩吉萬(wàn)有引力理論（Le Sage's Theory of Gravitation）（也叫做雷薩吉引力理論），由喬治-路易斯·雷薩吉（Georges-Louis Le Sage）提出，以一種充滿(mǎn)整個(gè)宇宙輕的氣體的流動(dòng)來(lái)解釋這種現象。
萬(wàn)有引力理論（Nordström's Theory of Gravitation），廣義相對論的早期競爭者。
懷特黑德萬(wàn)有引力理論，（Whitehead's Theory of Gravitation）廣義相對論的另一個(gè)早期競爭者。
牛頓的定律
存在于任何兩個(gè)物體之間的由質(zhì)量引起的相互吸引力，力的作用線(xiàn)約在兩物體質(zhì)心的連線(xiàn)上，其大小與兩物體的質(zhì)量成正比，與兩物體的距離平方成反比。萬(wàn)有引力定律是牛頓追索地面上的物體受重力作用的原因而發(fā)現的，1687年正式發(fā)表。以m1、m2表示兩物體的質(zhì)量，r表示兩者之間的距離，則相互吸引的力F為：，式中G稱(chēng)為萬(wàn)有引力常數。這就是萬(wàn)有引力定律的數學(xué)表達式。嚴格地說(shuō)，上式是對兩質(zhì)點(diǎn)而言的。因為“兩個(gè)物體之間的距離”一語(yǔ)指的是兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的距離。如果一個(gè)是質(zhì)點(diǎn)，另一個(gè)是有限體，則可把有限體分割成許多質(zhì)點(diǎn)，并求出它們引力的矢量和，就能得到整個(gè)有限體對質(zhì)點(diǎn)的作用力。牛頓曾證明：一個(gè)密度是到球心距離r的函數的球體對球外一質(zhì)點(diǎn)的引力同整個(gè)球體質(zhì)量集中在球心的情況無(wú)異。牛頓用萬(wàn)有引力定律證明了開(kāi)普勒定律、月球繞地球的運動(dòng)、潮汐的成因和地球兩極較扁等自然現象。牛頓的萬(wàn)有引力定律是天體力學(xué)的基礎。人造衛星、月球和行星探測器的軌道，都是以這個(gè)定律為基礎來(lái)計算的。萬(wàn)有引力存在的實(shí)驗證明和引力常數G的測定是卡文迪什于1798年作出的。目前引力常數的公認值是G=6.6732×10?11 m2/kg·s2 。
參考文獻
萬(wàn)有引力相關(guān)的文章
電影《被嫌棄的松子的一生》（日語(yǔ)：嫌われ松子の一生）改編自山田宗樹(shù)所著(zhù)同名小說(shuō)，由中島哲也編劇、導演，石田雄治、佐谷秀美、間瀨泰宏、小玉圭太等主演，于2006年5月27日在日本首映。
大馬士革（阿拉伯語(yǔ)：????；英語(yǔ)：Damascus），敘利亞首都、敘境內第二大城市，是世界有人居住的最古老城市之一。大馬士革在歷史上曾是阿拉伯帝國倭馬亞王朝的首都，號稱(chēng)“人間的花園”、“地上的天堂”。
巴爾干半島（Balkan Peninsula），是一個(gè)歷史和地理上的名詞，用以描述歐洲的東南隅位于亞得里亞海和黑海之間的陸地，詳細的范圍依照定義不同有許多種說(shuō)法。巴爾干一詞是由土耳其語(yǔ)的“山脈”一詞派生出來(lái)的。
南歐歐洲南部的簡(jiǎn)稱(chēng)南歐（southern Europe）是歐洲南部的簡(jiǎn)稱(chēng)，范圍包括伊比利亞半島、亞平寧半島及巴爾干半島南部，包括西班牙、葡萄牙、安道爾、意大利、希臘、馬耳他、梵蒂岡、圣馬力諾、斯洛文尼亞、克羅地亞、阿爾巴尼亞、羅馬尼亞、保加利亞、塞爾維亞、黑山、馬其頓和波斯尼亞和黑塞哥維那共17個(gè)國家，也稱(chēng)為地中海歐洲，因為大多南歐國家靠近地中海。面積約為166萬(wàn)多平方公里。南歐隔著(zhù)地中海與亞、非
尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
