《地心引力》：從牛頓到愛因斯坦再到未來

《地心引力》上映后，好評如潮。著名導演詹姆斯·卡梅隆稱之為“有史以來最好的太空題材的影片”。卡梅隆沒有說它是最好的科幻電影，因為《地心引力》更像是現有技術條件下的一次太空逃生。電影最后，當女主角歷盡千辛萬苦返回地球，從漂浮無依到腳踏實地，充分感受到萬有引力的存在時，觀眾們都感慨萬分。那么，什么是萬有引力？它又是怎么產生的？關于它，你以前了解的一些知識，到底是真是假呢？

真實的牛頓發現萬有引力的故事

說來令人吃驚，自從有了地球，引力就一直存在著。生命誕生之后也一直生活在引力里，至于人類這種自詡的萬物之靈，不管還是猴子的時候，或者是后來褪了毛變成人，也是一直都生活在引力里，可是在牛頓告訴我們之前，我們竟然一直都不知道引力的存在。

說到牛頓發現萬有引力，大家都會想起蘋果的故事。據說牛頓在蘋果樹下思考問題，一個成熟的蘋果掉落到牛頓頭上，被打疼的牛頓就開始思考為什么蘋果會往下落，而不是往天上飛，最后得出的結論就是地面存在引力。這個故事，和很多科學家的小故事一樣，比如瓦特看了燒開的水壺就發明了蒸汽機，或者是愛因斯坦小時候數學成績很差，都是后來者的虛構。目的么，要么是勵志，要么是想突出天才的與眾不同。

事實上，無須虛構，真實的情況已經足夠精彩。

1665年，牛頓22歲，正在劍橋大學三一學院就讀。當時一場造成十多萬人死亡的倫敦大瘟疫爆發了，學院關閉，牛頓不得不暫時回到鄉下老家，時間長達一年。然而，正是在這一年的時間里，牛頓對光學、力學、數學有多方面的研究和突破。那么，是不是牛頓憑借一己之力在一夜之間發現萬有引力定律的？答案是否定的。

早在1632年，伽利略就已經提出離心力和向心力的初步想法。1665年牛頓在鄉下躲避瘟疫期間，證明了離心力定律，并寫在手稿里，但沒有發表。因此，現在一般認為離心力定律是惠更斯于1673年在《擺鐘》一書中提出來的。1684年牛頓在《論回轉物體的運動》一文手稿中，第一次提出向心力及其定義。就在這一年里，哈雷、雷恩、胡可和牛頓都獨立證明了圓軌道上的引力平方反比關系，這便是描述重力的方程式，但是到了第二年，就只有牛頓根據開普勒三個定律、從離心力定律演化出的向心力定律和數學上的極限概念或微積分概念，才用幾何法證明了萬有引力定律，并在1687年于《自然哲學的數學原理》一書上發表。

牛頓也沒能解決的第二個問題

牛頓在前人研究的基礎上，從1665年至1685年，花了整整20年的時間，才沿著離心力-向心力-重力-萬有引力的順序，終于提出“萬有引力”這個概念。

萬有引力定律表示如下：任意兩個質點通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的質量乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關。

萬有引力定律的發現，是17世紀自然科學最偉大的成果之一。它把地面上物體運動的規律和天體運動的規律統一了起來，對以后物理學和天文學的發展具有深遠的影響，在人類認識自然的歷史上樹立了一座里程碑。

然而，萬有引力定律只解決了第一個問題：什么是萬有引力。受時代的限制，卓越如牛頓也沒有能夠解決第二個問題，即：為什么有萬有引力？這種情況也體現在牛頓其他成就上，比如牛頓三大運動定律，能夠描述天上地下一切東西的運動，可是，這些東西為什么會這樣運動，牛頓卻想不出來，因此，思考很久甚至沉迷于煉金術和星相學依然找不到結論之后，牛頓決定將一切運動的開始都歸結為“上帝”，是上帝在創世之初的“第一推動”，使得世間萬物如此運動的。

這個問題還需要等待200多年，由另一個天才來回答。

地心引力其實名不副實

那個天才的名字叫愛因斯坦。

1916年，愛因斯坦提出了廣義相對論。廣義相對論實際上是用幾何語言描述的引力理論。根據廣義相對論的描述，在四維時空中，物質會使時空彎曲，在觀測上這個完全等效于萬有引力。試想在蹦蹦床上放個鉛球，蹦蹦床上鉛球周圍的區域就會彎曲。這就是引力場。這時如果在一定距離內放一個玻璃球（玻璃球也造成了另一個彎曲），玻璃球就能夠因為這個彎曲而掉進去。也就是說，引力是因為物質存在質量產生的。你有引力，我有引力，之所以感覺不到，是因為你我的質量太小了，而物質達到星球級別的時候，引力就能檢測到了。

廣義相對論的正確性得到了廣泛承認。但也有學者認為這個解釋并不完備，試圖用引力子、弦理論等角度說明為什么有引力。誰能最終解決這個問題呢？也許就是你啊。

另外，地心引力這個詞造成一個誤會，認為引力是由地心引起的。事實上引力不是來自地心，而是地球上每個點的物質。只是因為地球是球體，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。更為驚人的是，地心所在的地方，因為處于球體的中心，來自所有方向的引力相互抵消了，地心實際上是沒有引力的。人在其中，也會和太空一樣，處于完全的失重狀態。