研究物質間的一種相互作用──引力作用的理論。在今天人們所知道的物質的四種基本相互作用中，引力作用為最弱。四種相互作用按作用強度比例順序是：強相互作用(1),電磁相互作用(10),弱相互作用(10),引力相互作用(10)。因此，在研究基本粒子的運動時，引力一般略去不計。但在天文學領域內，由於涉及的對象的質量極其巨大，引力就成為不僅支配著天體的運動，而且往往是天體的結構和演化的決定因素。
基本介紹
- 中文名：引力理論
- 外文名：Gravitational Theory
- 提出者：牛頓
- 提出時間：1687年
詳細內容,理論發展,廣義相對論,引力理論的本質,參考書目,
詳細內容
萬有引力定律，（lawofgravitation）物體間相互作用的一條定律，1687年為牛頓所發現。任何物體之間都有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比。如果用m1、m2表示兩個物體的質量，r表示它們間的距離，則物體間相互吸引力為f=（gm1m2）/r2，g稱為萬有引力常數。萬有引力定律是牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書中首先提出的。牛頓利用萬有引力定律不僅說明了行星運動規律，而且還指出木星、土星的****圍繞行星也有同樣的運動規律。他認為月球除了受到地球的引力外，還受到太陽的引力，從而解釋了月球運動中早已發現的二均差、出差等。另外，他還解釋了慧星的運動軌道和地球上的潮汐現象。根據萬有引力定律成功地預言並發現了海王星。萬有引力定律出現後，才正式把研究天體的運動建立在力學理論的基礎上，從而創立了天體力學。簡單的說，質量越大的東西產生的引力越大，地球的質量產生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。
理論發展
1859年，勒威耶發現在水星近日點進動問題中，存在著牛頓理論無法說明的部分，1882年，紐康測定這部分差值為每百年43″,這是不容忽視的。有人推測這可能是由於所謂水內行星的吸引造成的；也有人試圖修改牛頓萬有引力定律中的平方反比規律，但都沒有成功。
萬有引力解釋宇宙天體間引力作用
萬有引力解釋宇宙天體間引力作用1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，突破了絕對時間和絕對空間的觀念，否定了瞬時超距作用，從根本上動搖了建立在這些舊觀念基礎上的牛頓引力理論。經過約十年的探索，愛因斯坦於1915年提出了迄今為止最成功的近代引力理論──廣義相對論。
廣義相對論
廣義相對論的基本出發點是：引力場中，在較小範圍內，所有自由下落的物體具有同樣的加速度。換句話說，任何物體的引力質量等於其慣性質量。這個從伽利略時代起就為人們熟知的事實，在十九世紀末由匈牙利物理學家厄缶驗證到10-9的精度（六十年代以來,這個實驗的精度又提高到10和11）。愛因斯坦由此出發提出了均勻引力場和均勻加速參考系等效的原理（見等效原理），以及一切自然定律應在任意坐標變換下協變的原理（通常稱為廣義相對性原理）。
愛因斯坦與引力理論
愛因斯坦與引力理論廣義相對論的基本內容是：三維空間和一維時間構成四維時空連續統；物理事件由四維時空連續統中的點表示；四維時空連續統的幾何性質由四維黎曼幾何描述。空間的度規張量和曲率則可以通過引力場方程，由物質的能量-動量張量決定。引力場方程可寫為：
引力場中的自由粒子沿著四維時空連續統中的測地線運動。測地線的微分方程是：
天體物理學(萬有引力現象)
天體物理學(萬有引力現象)式中，τ為原時，為聯絡。
廣義相對論克服了牛頓萬有引力定律所遇到的困難，完滿地說明水星近日點的進動問題；預言光線在引力場中會發生偏轉；強引力場中原子發出的光譜線和弱引力場中同種原子發出的同一光譜線相比，前者的光譜向紅端移動。這些效應都在不同程度上得到觀測和實驗的證實（見廣義相對論的天文驗證）。
從二十年代起，人們藉助於廣義相對論把觀測所及的宇宙作為一個整體來研究，預言它正在膨脹。這個預言也因河外星系譜線紅移和微波背景輻射的發現而得到支持（見宇宙學）。六十年代以來，隨著類星體、脈衝星等一系列新天體的發現，廣義相對論已日益成為現代天體物理學的重要理論基礎（見相對論天體物理學）。
廣義相對論雖然取得了很大的成就，但也還存在一些問題。例如，已經證明,在某些相當一般的條件下,總會出現物理上難以接受的奇性以及量子化後不可重整的困難。因此，幾十年來，不斷有人提出其他的引力理論。這些理論大體可以分為兩類：一類是平直空間中滿足洛倫茲協變的引力理論，一類是彎曲空間中的度規型引力理論。經過多方面的檢驗，除了極個別的例外，所有這些理論都一個一個地被淘汰了。然而，以局部慣性系的存在為前提的引力規範理論卻引起了廣泛的注意。這種理論，就時空的幾何性質而言，不僅考慮了曲率，而且考慮了撓率；就物質的特性而言，不僅考慮了能量、動量，也考慮了自旋。它不僅和廣義相對論一樣，能經受住目前實驗和觀測的檢驗，而且有可能克服奇性和重整化困難。在這個方向上，最近出現的超引力理論已經展示了將四種基本相互作用統一起來的誘人前景。
引力理論的本質
深度剖析引力,引力波，引力場的本質及四種基本力的統一概述
兩個關鍵點：1、引力與其他基本力的關係，這裡選擇了電磁力作為突破口。2、四種基本的力統一說明。
再者物理宇宙書籍《變化》中其實巨觀的，尤其對相對論的理解要比量子力學的理解多的多。所以有必要不斷增加對量子力學的說明。來佐證反覆強調的觀點——愛氏廣義相對論可以和其他三種基本力融洽！
所以我們要討論的點非常多，牽涉的面也達到了史無前例的廣，這就是這個題目嚇人的原因。如果僅僅是題目嚇人，那也好啊。題目背後的東西是讓我們人類絞盡腦汁都頭疼的問題。一起來走進這個神奇的世界吧！
當然我們要討論這一章的課題，是依據前面的知識理論支撐的。首先從哲學上，從一開始我就說了，事物是普遍聯繫的，聯繫是有條件的。那么作為宇宙的四種基本力，怎么可能沒有相互聯繫呢？不融洽呢？
可是為什麼我們失敗了那么多次，沒有成功的統一四種基本力。每一次的失敗，都是為下一次成功做鋪墊。鋪墊多了，新的條件出現了，新的想法出現了，問題就迎刃而解了。
我們現在已經知道了時空是時間，物質，空間一體化組合。且引力的本源就是時空！也就是說引力是時空性質。
之前所有的理論都不曾論述四種基本力誰是最重要的，最根本的。也就是說在我的理論中引力是最根本的，最重要的力。
除了引力，其他三種力都已經被統一在規範場論理論內了。但其實引力在量子領域依然對粒子是有作用的。只是我們通常在量子力學範圍內認為這種引力作用微乎其微，所以忽略不計。
顯然這種忽略不計是不嚴謹的。而且認為宇稱不守恆，不確定性原理，自發性破缺等都與引力是有關係的。引力扮演了一種“擾動”的角色。
這就是說明了引力是宇宙中根本性的力，是一種時空性質。還有比這個更廣的力嗎？沒有！ 也就是是其他三種力在時空範疇內，而時空性質的根本體現就是引力。
從哲學角度來說，在處理各種力的關係問題的時候，我們往往要以引力為主要矛盾來分析各種現象和狀態。另外三種力作為次要矛盾來考慮。
從最新的研究作為切入點開始。先來看看什麼是引力波，引力又是如何被發現的。先來看看下面這張關於引力波的圖片說明。
通過圖片我們知道了，引力波是一中時空漣漪。通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年 ，愛因斯坦基於廣義相對論預言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結果，因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念，即光速。
相比之下，引力波不能夠存在於牛頓的經典引力理論當中，因為牛頓的經典理論假設物質的相互作用傳播是速度無限的。
在2016年2月11日，LIGO科學合作組織和Virgo合作團隊宣布他們已經利用高級LIGO探測器，已經首次探測到了來自於雙黑洞合併的引力波信號。
2016年6月16日凌晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03:38:53 （UTC），位於美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器同時探測到了一個引力波信號；這是繼 LIGO 2015年9月14日探測到首個引力波信號之後，人類探測到的第二個引力波信號。
為了詳細讓大家了解後面要給大家講述的理論，就有必要對引力波的具體探測工作有了解。我們以上圖中劉博洋博士的論述來作文字展示。
兩個質量分別是26和39太陽質量的恆星級黑洞。互相旋轉，最後合併。黑洞合併產生了非常大的碰撞，所以我們遙遠的地球觀察到了引力波。
這個過程分為三個階段。
第一個階段： 兩個黑洞的引力波頻率從30Hz開始，這在引力波天文學中是比較低的頻段，但這意味著黑洞是15Hz軌道頻率。再具體點就是這兩個黑洞分別是30和36太陽質量。每個半徑大概是100公里左右，距離是1000公里左右。每秒種互相轉15圈。
第二個階段：到兩個黑洞合併的時候，引力波頻率達到100Hz，軌道頻率50Hz，就是每秒轉50圈。這個時候兩個黑洞已經快成一體了，兩個黑洞“中心”的距離大概是200公里。
第三個階段：這個合併的黑洞繼續扭曲震盪，形成一個新的，旋轉的黑洞。這個黑洞的質量是63個太陽質量。其中有三個左右的太陽質量在碰撞中消失，以引力波的形式向外擴散！
再回到《變化》引力的本源理論——引力是時空性質。時空是能量的時空。所以在沒有大質量天體擾動的情況下，時空漣漪是很難被探測到的。雖然我們就處於在時空中。有種“不識廬山真面目，只緣生在此山中”的感覺。
在這裡再次強調引力不是時空彎曲產生的，引力是時空性質——是時空產生引力！
彎曲是假象。因為時空背影是彎曲的，引力可以使得時空彎曲！但不是時空彎曲產生了引力！是時空能量，是時空產生了引力！這就是為什麼只要是具有質量的物體都具有引力。因為引力就是一種時空性質，任何有質量的物體無法脫離這樣的時空法則。從巨觀到量子層面都是這樣的。
所以就很明顯了，引力波是時空的漣漪，那么什麼是引力場？ 時空就是引力場，很顯然這樣的引力場是全域場。這和現有的引力場定義有根本區別。
其實不難理解，引力是時空性質，引力場自然也是時空性質。它們的區別就是時空線上，面，體的不同表現，但都是出於同一時空性質！
所以引力場的定義就是：引力場是一種全域性的時空性質，其場強度和能量物質分布及運動速度成正比關係。
關鍵字：全域性，物質能量分布，運動速度，正比關係。
所謂全域性是指從理論上來講引力場是整個時空的性質，那么它的廣度就是時空所在處必然存在引力場。
物質能量分布該怎么理解，在整個時空中物質能量的分布是不均的，引力場強度自然就是不同的。雖然是理論上是全域性的場，也就是瀰漫整個宇宙。但是從微分思維出發，由於這種的物質能量的不均性，我們可以把全域場劃分為N個局域場。
但要清楚這種劃分是人為的，是為了更好的研究引力理論而構想的。
那么局域場與局域場之間的關係是咋樣的？很明顯是與物質能量的分布成正比，與它們之間的距離的平方成反比。
再這裡提醒大家，引力和引力場作用的傳遞速度都是光速。這個已經在前面章節中論述過了。
很多人可能會問，為什麼不在引力場的定義的中加入“與距離平方成反比”這樣的描述，而在局部引力場中就加入了這樣的描述。 我上面說了，引力場應該是全域場，是一種時空性質，。只有當你去測量具體物體，具體天體，具體星團的引力的時候，可以區分他們的距離——即物體之間的距離。也就是至少有A和B兩個質點。
這樣我們把牛頓引力定理就引了出來：任意兩個質點有通過連心線方向上的力相互吸引。該引力大小與它們質量的乘積成正比與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學組成和其間介質種類無關。
數學公式表述為：F= GMm/ r^2。G為引力常數，等於G=6.67×10-11 N·m2/kg2。
顯然牛頓的理論是一種“靜態”引力理論，是一種絕對時空理論。愛氏的廣義相對論是一種“動態”的引力理論，是一種相對時空理論。這是愛氏先進的地方。
也就是說牛頓的引力理論有局限性，不適於高速運動的物體。因為相對論效應，高度運動的物體質量會增大。如果牛頓認為質量是不因運動速度變化的，那么自然就不會認識到這點。
這也是我為什麼重新定義質量。就是將質量回歸能量的本質。然後用能量來定義質量。即：質量是物體在相對時空中的一種物理屬性，物體所蘊含能量的多少是物體質量的量度。
這樣就把質量始終放在相對論時空下的質量了。 那么牛頓萬有引力定理錯誤了嗎？ 其實不能說錯誤了，是不夠究竟，和不準確。這在人類認識宇宙世界過程中必須要經歷的。
引力場，引力的本源都是時空。引力波就是時空的漣漪。在這裡要提出電磁波的概念。引力波和電磁波是不同的。引力波是時空的漣漪，電磁波是電磁場產生的。他們的關係我們會在後面詳細剖析和論述。
現在有一個最大的問題是引力場，引力，引力波的本源都搞清楚了。那么我們問了：引力子存在嗎？？
上面給大家介紹了引力波被探測到的過程。黑洞在合併的過程會損失若干個太陽質量，這些太陽質量以能量的形式震盪開來，被我們檢測到，即引力波。
就是說時空也是能量時空，引力和引力場的本源就是能量時空。它是一種時空性質。引力波就是時空的巨大變化引起的，不像電磁波那樣。
引力的傳播不需要介質，也就是說引力波的傳遞不需要介質。時空是一種能量時空，能量的傳遞不需要介質，這就是為什麼引力和引力波的傳遞不需要介質。但它們傳播的速度是光速，不是超光速！
否則一個反問就把我們自己困住了，這個反問是：如果引力，引力波的傳播是超距作用，也就是說傳播不需要任何時間，那么人類還可以檢測到引力波嗎？？ 顯然是不可能的！
既然引力，引力波，引力場的本源都回歸於能量時空，那么所謂的引力子就是能量的最小單位——能量子。
那么最小單位的能量是什麼，存在嗎？就目前的研究是不存在的！就是說沒有最小能量單位的說法，沒有這個定義！
所以說引力子這個東西的探究需要謹慎，極有可能竹籃打水一場空。因為引力是時空性質。時空是能量時空，所有的一切都是構成能量時空的物質。
也就是說所有的量子力學體系下的粒子也屬於能量。那么如此，愛氏的廣義相對論更應該可以與其他三種基本力融洽。也就是說我們需要建立一個“能量場論。” 這個我們還要再下一章詳細講。
最後再給大家強調這樣一點，其實既然所有的物質東西都是能量。那么其實統一理論的現有描述已經出來了。那就是能量守恆定律：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只能從一個物體傳遞給另一個物體，而且能量的形式也可以互相轉換。
在不同的領域有不同的表達，如下文：
1、保守力學系統
在只有保守力做功的情況下，系統能量表現為機械能，（動能和勢能）能量守恆具體表達為機械能守恆定律。
2、熱力學系統
能量表達為內能，熱量和功，能量守恆的表達形式是熱力學第一定律(熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與機械能或其他能量互相轉換，但是在轉換過程中，能量的總值保持不變)。表達式為Q=△U+W.
2、相對論理論
在相對論里，質量和能量可以相互轉變。計及質量改變帶來能量變化，能量守恆定律依然成立。歷史上也稱這種情況下的能量守恆定律為質能守恆定律。
4、流體力學
在流體力學中有一種邊界層表面效應，又稱"伯努利效應“。是指流體速度加快時，物體與流體接觸的界面上的壓力會減小，反之壓力會增加，伯努利效應是流體力學中的能量守恆定律。伯努利因發現這一現象並成功解釋它而創立的流體力學。
5、電磁學
根據楞次定律，感應電流所產生的磁場總是阻礙原磁場磁通量的變化，這種阻礙的結果就使得電磁感應的過程中將其他形式的能量轉化為電能，感應電流形成迴路，再將電能轉化為其他形式的能量。 也就是說，楞次定律所揭示的感應電流與原磁場的關係本質仍然是能量轉化的關係，即能量守恆定律。
6、化學
質量守恆定律：在化學反應前後，參加反應的各物質的質量總和等於反應後生成的各物質的質量總和。這就叫做質量守恆定律
7、經典力學
諾特定理把對稱性跟守恆量聯繫起來了，非常有用。是指對於力學體系的每一個連續的對稱變換，都有一個守恆量與之對應。對稱變換是力學體系在某種變換下不變。
表述：對於每個局部作用下的可微對稱性，存在一個對應的守恆流。
上述命題中的“對稱性”一詞精確一點來說是指物理定律在滿足某種技術要求的一維李群作用下所滿足的協變性。物理量的守恆定律通常用連續性方程表達。
定理的形式化命題僅從不變性條件就導出和一個守恆的物理量相應的流的表達式。該守恆量稱為諾特荷，而該流稱為諾特流。諾特流至多相差一個無散度向量場。
而且絕對零度不可達到，就說明一切物體具有能量！這一點知識所深刻表達的內容是引力是永恆存在的，時空是永恆存在的。所以愛氏和霍金的宇宙有限論是不可靠的。
本文摘自獨立學者，詩人，作家，國學起名師靈遁者物理宇宙科普書籍《變化》第三十一章
參考書目
柏格曼著，周奇、郝苹譯：《相對論引論》，高等教育出版社，北京，1961。(P.G.Bergmann,Introductionto the Theory of Relativity,Butterworths,London,1958.)
溫伯格著，鄒振隆譯：《引力和宇宙論》，科學出版社，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.
