万有引力公式是牛顿根据前人的观测资料和总结的规律建立的，是一个经验的公式。这一公式，虽然可以将各种自然现象统一起来，但是却遗留下了三个问题。

第一个问题是，该公式含有一个经验常数即万有引力常数G，这只是一个实验数值，没有任何的理论说明。

第二个问题是，没有提出引力的物理机制，因而认为引力是超距的。

第三个问题是，当距离趋近于零时，引力无穷大。在科学史上，任何一个公式只要出现无穷大，就说明该公式是不完备的，只是一个近似的物理公式。

万有引力公式之所以存在上述问题，是因为持有一维的物质观，将认识的焦点只集中在物质身上。

爱因斯坦根据引力质量等于惯性质量建立了广义相对论，将空间与物质联系了起来。在这一点上，广义相对论较经典力学是有所进步的，建立了统一的二维宇宙观。然而，就是这一点进步，仍然是不到位的。广义相对论非但没有提出具体的物理机制来说明物质与空间的物理联系，反而用空间的几何变化替代了引力的物理机制。

对此，量子力学的做法是，借助外在粒子的交换来说明相互作用力，而且不同的力交换不同的粒子。这仍然是缺乏具体的物理机制的做法，类似关于燃烧??的解释，需要用氧化机制来取代燃素说。

根据有机的量子景观，宇宙是由量子构成的。离散的量子构成空间，由量子组成的封闭体系成为物质。由于物质的封闭性小于1，使得物质对量子空间产生热辐射??，形成热的梯度分布（场）。于是，两物质内侧的封闭性小于外侧的封闭性，致使两物质外侧的量子碰撞??多于它们内侧的量子碰撞，由此产生的力差就是万有引力。

此外，万有引力常数G是四个空间参量的组合，它们是光速c、普朗克常数h、基态量子的弛豫时间即量子频率的倒数和空间量子之间的距离。而且，当两物体作用距离小于空间量子的间距时，就会以指数衰减趋近于零，从而消除了无穷大。

所以，万有引力的本质是，由于两物体的存在，导致了量子空间的对称性破缺，从而使量子空间借助量子的不对称碰撞，产生了使两物体相互接近的趋势。

爱因斯坦在广义相对论当中明确地提出了，万有引力的本质是时空的几何。一种作用力是一种几何，这种宣称完全颠覆了我们对“力”的认知方式。这也使得看待其他基本力的本质有了新的可能——或许所有力的本质都是某种能量造成的几何结构。

如何来理解万有引力是时空的几何？

先用平面来比喻我们的宇宙，那么时空的几何就可以简单比喻为纸面上的褶皱，扭曲。但经常科普作品当中的那种用凹陷平面来演示引力扭曲时空的图示容易造成误解，让我们误以为实际宇宙中的引力也是这样的凹陷。例如下面这个：

上图：我们在科普作品上经常见到的说明物质形成时空扭曲的示意图，常常引起误解。

实际上，真实的宇宙中的引力应该理解为一种时空的密度，应该类似下面的这种三维的示意——质量导致时空的密度增大，时空的网格被扭曲，向内变得密实，因此才有了大质量物体附近的时间流逝相对缓慢的结论——这个是被实验证实的，例如GPS定位卫星网格中不同的卫星上的原子钟的时间会发生偏差，因此GPS卫星的原子钟必须定期校时；此外，科学家曾经计算过地球的地核因为处于引力中心，实际上比地壳要年轻5岁。

上图：实际上的时空扭曲应该以这样的方式来展现，时空在质量周围是变得更密实了。

质量与引力的关系

一切有质量物体周围都有引力，这个事实似乎也透露了质量的某种本质。既然质量与引力的关系如此密切，或许质量本身也是时空的某种几何。个人认为，质量可能就是蜷缩的高密度时空，是时空因能量的作用在小体积内以特定方式蜷缩形成相对稳定状态的一种形式（比如打了一个结）。所有有质量的物体，包括微观粒子，最终都会衰变为没有质量的纯能量形式，这是大量实验所反复发现的客观情况，虽然目前尚未有观察到质子自然衰变的情况，但科学家认为质子必然也会衰变（平均寿命> 2.1×10^29 年）。在这种意义上讲，引力可能只是质量本质的外溢表现，它与质量可能就是同一种东西！

而质量又与希格斯玻色子关系密切，那么我们似乎可以继续推测，希格斯玻色子与引力子的关系。但希格斯玻色子不是度规玻色子，因此不是传递引力的粒子，而只是原位产生质量的标量粒子。目前科学界仍然没有办法对引力子的特征进行确定，如果能够将确认引力子的存在，那么对于质量和引力的本质或许会有更清楚的认识。

万有引力的本质是宇宙中万物的存在与发展、回归的统一。

存在：宇宙中的物质都是运动的，而运动的源泉是能量，力（包括万有引力）是能量体现。

发展、回归：物质在运动发展变化，而从宇宙产生（大爆炸）开始，发展变化的总趋势是，密度小的物质向密度大的物质转化（氢→恒星→白矮星→中子星或黑洞→今后可能回归到大爆炸奇点，形成一个循环）。

要解释万有引力的本质是什么，必须用到被认为是迷信的中国古代理论，气聚为物，物散为气。气是虚空虚粒子，物是物质。虚空中存在着虚粒子，包括引力子（承载引力）、胶子（承载强力）、光子（承载电磁力）、和玻色子（承载弱力）。

虚粒子的内部是实体的，没有弹性。实粒子内部是空虚的，有弹性。弹力是物质发生变形要恢复原本形状而产生的力，不能变形的或没有恢复形状能力的粒子，没有弹性。

虚空中的引力子是虚粒子没有弹性，引力子在虚空中运动，同一直线等速运动的引力子相遇，两者会停止运动，并向原运动方向垂直面，抛射引力子组成成分。

气聚为物：引力子与带质量导热物质相遇时，引力子与物质中的粒子发生碰撞，部分引力子或引力子组成成分，会留在物质粒子内的虚空中运动，成为物质的一部分。

气冲以为和：引力子与带质量的物质相遇，部分引力子留在物质粒子内的虚空中运动，使带质量物质周围的虚空中引力子密度稀少，虚空中的引力子向带质量物质的中心方向运动，以补充带质量物质周围虚空中引力子的稀少，形成引力现象。

电磁力是电荷运动产生的，光子不承载电磁力，光子也不是虚粒子，光子会发生反射。

我个认为，万有引力的本质是大气压强，与地球质量相互，协同作用的结果。

它好像又是一种质量的活性。在宇宙中，有空隙的地方，也同样存在。这种质量的物质特征，相互作用的拉力场，或运动的时光。

何为万有引力？其实所有对于力的描述，都是用来解释世界万物是如何运动的。在牛顿之前根本就没有“力”的概念。而概念是物理学沟通中的一个重要工具，是思维与想象之间的根本区别。要探究万有引力这个概念，最好先从人类关于“运动”的故事开始。

牛顿之前的“运动”。

有这样一个事实：在牛顿之前，对于我们生活的这个空间里，物体如何运动，一直无人能解答。

正因如此，那个时代的世界被命运的精灵和魔鬼所控制。一些魔法、巫术、迷信的思想，是那个时代的热门话题。即便古希腊的哲学家们，也将物体的运动归结于，它们是否具有和人类一样的欲望或者情感。所谓的“水火土气”具有各自的本性，它们遵循本性而运动。物体之所以会停下来，只是因为“累”了而已，一些物体之所以会掉在地面，是因为它们渴望与大地合二为一。

以现在的科学语境来解释，就是力是维持物体运动的原因。物体只有在为外力的推动下才能一直运动，外力一旦停止，运动也就停止。这也正是亚里士多德的主张，而这种说法一直从公元前4世纪，延续到了公元后16世纪。

牛顿开启的力学观。

1666年，23岁的牛顿，驱除人类脑中被亚里士多德学派植入的精灵，提出了力的概念，并描述了力的三大特质（牛顿力学三定律）。而且人类第一次可以用简单的公式，来预测物体未来的运动轨迹。

而牛顿之所以能建立万有引力定律，皆因洞察到苹果坠落的秘密。世界万物都在掉向地球，这就是牛顿发现的物理图景。牛顿意识到，如果他站在一个山顶上，只要以足够大的速度扔出一块石头，石头就可以像月亮一样，永远围绕地球做自由落体运动。

而石头的速度，取决于扔出它的那一瞬间，因此牛顿认为力是瞬时的，更是一种超距作用。比如太阳如果突然消失，牛顿认为地球就会立即飞离自己的轨道，飘向宇宙深渊之中。这也就意味着，地球上的时间与太阳上的时间是同步的，乃至于宇宙整个空间的任何一个位置的时间都是同步的。这就是牛顿的绝对时间观。在地球上的一米，到宇宙中任何地方，都是一样的长度，不会发生任何变化。这就是牛顿的绝对空间观。

当牛顿建立了这种绝对空间与绝对时间的常识概念，空间和时间就能构成一个绝对的参考系，可以描述我们日常生活中所有的运动。而引力到底是什么？牛顿并没有去想，因为他兴奋地沉浸在他建立的万有引力定律对万物运动的预言之中。

打破超距作用的场概念。

1860年，麦克斯韦继承了法拉第关于“场”的概念，并建立起了场的数学表达式。虽说麦克斯韦研究的是电磁现象，但他所完善的场概念，被爱因斯坦称为是物理学自牛顿以来最深刻的成果。

在麦克斯韦的场概念中，电磁力的传播，不像牛顿的力那样是瞬间作用，而是需要时间来传播的。而且在揭示了电磁波与光之间的关系之后，关于光速的描述，让经典物理学的两大支柱：牛顿力学与麦克斯韦电磁波理论产生了无法调和的矛盾。

牛顿力学描述的速度，是可以叠加的。而麦克斯韦的电磁波理论中，光速却是恒定的。同样是对速度的描述，为什么万物适用的牛顿力学对于光，就不再适用了呢？到底是牛顿错了，还是麦克斯韦错了？

爱因斯坦对光的理解，勾勒出了对引力的物理图景。

如果你开着一辆光速行驶的车子，远离后方的钟塔。由于后方的光已经追不上你，在你看来钟塔上的钟已停止转动，而如果你看自己的手表，会发现手表依然在运转。

当爱因斯坦想到这一点时，绝对时间观轰然倒塌。不同的速度下，时间的流逝是不一样的。一个跨时代的光速图景在爱因斯坦的大脑里展开了。

1905年，爱因斯坦通过对这个物理图景的思考，打破了牛顿的绝对时间与绝对空间观，提出了时间与空间的相对性。这对理解物体的运动，迈进了一大步。

在爱因斯坦的相对时空观里，光速不变就成了一个合理的解释。虽然当时MM实验已经验证了光速不变，但对于爱因斯坦来说，麦克斯韦的理论给他的启发远远胜于MM实验。

空间可变，就意味着空间可扭曲。而所有物体的运动都依附于空间，也就代表着描述物体运动的力与空间具有深层次的联系。当爱因斯坦将麦克斯韦的“场”概念引入力学中后，引力场替代了万有引力的超距作用。

空间的形变使万物有了运动的趋势，而这种运动的趋势就是引力场。所以说，引力场就是空间扭曲的结果。

总结

引力是空间的扭曲的结果，是人类目前知晓的最接近引力本质的一种诠释。

通过了解人类对运动的认知发展，我们可以看到科学是如何一步一步地去触及自然现象的本质。而看似不相关的光学现象，却让人们更加深刻地理解了引力的本质。而在孜孜不倦地探索中，人们也发现不同的自然现象之间似乎总是存在着某种隐秘的联系。

而这种联系正是爱因斯坦一生所追求的宇宙秩序，这种物理直觉，也正是现代物理学追求大统一终极理论的初衷。

欢迎关注@想法捕手，读科学，聊宇宙。

引力的格格不入

上世纪，科学发现宇宙中存在着四种作用，分别是强力、弱力、电磁力和引力。这四大作用力有点类似于胶水，把物质粒子结合到了一起。强力和弱力确保了原子核的结构，电磁力是确保了原子结构的存在，而引力则是物质之间相互吸引的力。

而在这四大作用力当中，人类最早能够系统的认知的是引力。不过，引力也是最让科学家们头疼的一个力。这是因为上世纪50~70年代，科学家在狭义相对论和量子力学的基础上，基于对麦克斯韦方程的认识，建立起了一套粒子物理学标准模型。

这套模型把四大作用力中的电磁力和弱力统一了起来，也就是温伯格等人的电弱理论，同时强力也被纳入到了这个体系当中，但偏偏引力一直无法纳入到这个体系。科学家也试图将其强行纳入到这个体系当中，结果理论和实际相去甚远，因此，并没有被广泛接受。

关于引力的认知，目前主流的理论是牛顿力学和广义相对论。而关于引力本质的诠释则是广义相对论。今天，我们就来聊一聊：引力的本质。

万有引力

其实早在牛顿之前，人们就发现了万物都会往地面上落的现象。为此，古希腊的哲学家亚里士多德就提出了一套逻辑自洽的理论，但是这只是在哲学层面上的一些探讨，并没有非常严格的推导。后来，到了牛顿的时代，牛顿解决了这个问题，他发现万物往地上落和地球绕着太阳转其实是一回事，这是因为物质之间都有彼此吸引的力。

于是，基于这个发现，牛顿推导出了著名的万有引力定律。这个理论和当时的观测现象拟合的很好，几乎没有什么误差，甚至有学者直接利用这个理论，依靠笔和纸预测了海王星的存在，然后天文学家一观测预言的位置，果然有一颗行星在那里。

但是，如果你要问牛顿，引力的本质是什么？他其实是不太能够说服你的。

牛顿认为引力是一种超距力，说白了就是瞬间传递的一种作用。我来举个例子帮你理解一下，如果太阳突然消失，那地球就会立马沿着轨道的切线方向飞出去。

但为什么是超距力，牛顿也是回答不上来的。

万有引力的本质

虽然牛顿不能给我们一个很好的解决方案，不过，后来物理学界出现了一位堪比牛顿的大神，也就是爱因斯坦，在1905年，他基于光速不变原理和相对性原理提出了狭义相对论。

10年后，也就是1915，他又提出了广义相对论。无论是狭义相对论还是广义相对论，本质上就是在研究运动物体对于时空的变化，前者是在平直的时空当中，或者说是在惯性参考系（没有变速运动的情况下）；而后者则是在弯曲的时空当中，或者说是在费惯性参考系（有变速运动的情况下）。

而爱因斯坦通过等效原理，就把广义相对论和引力联系了起来。他发现，引力的本质其实就是时空的弯曲。

地球可以绕着太阳运动，说白了就是太阳的质量使得周围的时空弯曲了，地球只是沿着弯曲的“面”，也就做测地线在运动。

这听起来很抽象，毕竟时空使我们看不到的。那我们如何知道爱因斯坦说的对不对呢？

实际上可以利用观测来解决这个问题。

万有引力定律 vs 广义相对论

当时，爱因斯坦刚提出广义相对论时，其实能看得懂的人就不多，更不要说能够论证这个理论对不对的人了。爱因斯坦就一直在极力主张通过观测来判定自己的理论是不是对的。他曾经资助过一个天文学家来求证，结果这个天文学家因为一战的原因，被当做间谍给关了起来。后来，英国的天文学家爱丁顿就亲率团队进行求证。

这可以说是一场万有引力定律和广义相对论直接面对面的角斗，是科学家之间的战争，比拼的是谁的理论和现实更吻合。结果爱丁顿在这次日全食观测中，观测到光线偏折的角度更接近于广义相对论，从而宣告了爱因斯坦的胜利，从此爱因斯坦一举成名，成为了理论物理学史上可以和牛顿并立的科学家。

而广义相对论后来也经历了多次观测的求证，最终成为了主流的科学理论，并且广义相对论的预言的引力波和黑洞也被科学家观测到了。

所以，如今对于引力的本质的解释就是广义相对论的诠释，也就是时空的弯曲。

“万有引力”是牛顿的概念，他认为引力是万有的，也就是说任何物体都有引力，区别只是大小不同而已，并且引力小的物体会被引力大的物体所捕获，可以说牛顿万有引力出现到现在为止都是非常好用的理论，宇航员登月和卫星发射全靠它。

不过牛顿属于知其然不知其所以然，他并不知道引力的产生机制，好在这一问题被数个世纪后的爱因斯坦广义相对论“解决”了。

爱因斯坦在完成狭义相对论之后就一心想把引力也放进去，为此他经过数年的苦思冥想得到了“引力就是时空扭曲”的广义相对论，并且解决了牛顿万有引力所不能解决的近光速与强引力场下的运动问题。

在爱因斯坦看来所谓的引力不过是质量扭曲时空产生的几何跌落，太阳就是凭着巨大的质量扭曲了太阳系的时空，才让地球等天体不断向着太阳跌落，不过由于太空中的地球公转产生的离心力与太阳引力抵消，因此地球一直没有跌落到太阳中。

细心的读者肯定注意到了第二段最后的“解决”，之所以要加上引号是因为量子力学并不认同广义相对论时空扭曲产生引力说法，事实上量子力学中一直假设了一种被称为“引力子”的存在，量子力学认为引力子的交换才是引力产生的根本原因。

广义相对论与量子力学的互相矛盾说明我们人类对引力的本质认识还存在着错误和偏差，这种错误和偏差只能寄希望于未来的物理学家们了。

提到万有引力，脑海中出现的第一个人就是牛顿。牛顿最伟大的成就就是在前辈们的成果基础上建立起了宏观物理世界模型。

也是牛顿发现万有引力定律，并实验总结出万有引力公式。也是航空航天发展的基础，公式如下：

但是牛顿并没有从本质上解释万有引力，万有引力是四大基本作用力之一。但是爱因斯坦广义相对论对引力的解释并没有把它当作一种力，广义相对论认为质量可以使时空发生弯曲引力仅是时空弯曲的外在表现。

简单的解释就是：物质告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物质如何运动。

其它三种基本作用力已经被量子力学解释，认为力的产生是由于量子的交换产生。用相同的道理去解释引力的时候，提出了引力子的概念，但是并没有成功。

所以现在提到引力的本质问题都是指得是时空弯曲。

图片来源网络侵删。

这里是科学黑洞，欢迎关注我们哦！

万有引力的本质是质量对周边时空的扰动，这种扰动是把周边的时空进行弯曲。曲率与质量成正比，影响范围与距离成反比。

也就是说，质量越大的物体，对自己周边的时空造成的曲率越大，小质量物体经过大质量物体身边时，就会受到这种曲率的影响，顺着曲率的漩涡往下掉，最终掉到大质量物体的身上。

这种时空曲率从宏观上表现出来的现象是引力，看起来是两个物体相互吸引。但引力是这个世界已知存在的四种基本力里面最弱的一种力，因此小质量物体的引力很小，甚至小到可以忽略不计。比如两个人，或两辆汽车，甚至两座大山，你能感受到他们的引力吗？

因此一般来说，只有在天体的运动中，引力才能够成为考量的对象。

比如我们地球的引力主要表现为重力，就是物体由于地球的吸引力而受到的力，物体受到的力与质量成正比，我们就感到质量越大的物体越重。

在太空无重力状态下，物体质量再大也没有重量（失重状态）。

根据天体质量的大小，可以计算出其重力加速度。速度是与引力抗衡的条件，适当的速度可以与引力相互抵消，叫环绕速度，就是不被大质量天体引力陷阱所陷落，但也逃不出引力的牵扯。在环绕速度下，小质量物体围绕着大质量天体在轨道上旋转，双方会保持一种平衡状态；超过逃逸速度，则可摆脱引力束缚飞向远方。

地球的环绕速度为7.9千米/秒，逃逸速度为11.2千米/秒。

质量越大相对体积越小的物体，导致的时空曲率也就越大。太阳的质量虽大，但直径有139.2万千米，表面的逃逸速度为617.7千米/秒；白矮星虽然质量在太阳以下，但体积只有地球大小，逃逸速度需要5000千米/秒左右；中子星质量超过太阳，半径却只有10公里左右，逃逸速度最高达到150000千米/秒。

黑洞奇点无限小，视界里面的逃逸速度超过光速。所以靠近黑洞的史瓦西边界逃逸速度就要接近光速了，那里的引力漩涡无可阻挡，以后大家若有机会前往黑洞附近可要当心！

这些质量很大体积却很小的天体在自己周围导致的时空曲率很大，就如漩涡很急陷阱很深很陡峭，靠近的物体就很难逃脱。

但这种时空扰动形成的引力现象与距离成反比，离开越远消散的越快，呈指数级递减。但就是到了天边也还有，所以引力又是超长力，理论上无限远。但一般出了天体的引力圈（希尔球半径）就可以忽略不计了。

这个距离并不大，地球的希尔球半径约150万公里，也就是说地球对时空扰动导致的时空漩涡影响到150万公里远；太阳的希尔球半径约1光年左右。

引力的希尔球半径计算涉及到周边天体，比较复杂，这里就不多扯了，有兴趣的可以看时空通讯过去发过的相关文章。

时空通讯专注于老百姓通俗的科学话题，欢迎大家探讨。

本号发表的所有文章均属原创，请尊重作者版权，谢谢关注和支持。