引力理论

引力理论（ theory of gravitation ），研究物质间的一种相互作用──引力作用的理论。在今天人们所知道的物质的四种基本相互作用中，引力作用为最弱。四种相互作用按作用强度比例顺序是强相互作用(1)，电磁相互作用(10^–2)，弱相互作用(10^–10)，引力相互作用(10–40)。因此，在研究基本粒子的运动时，引力一般略去不计。但在天文学领域内，由于涉及的对象的质量极其巨大，引力就成为不仅支配着天体的运动，而且往往是天体的结构和演化的决定因素。

17世纪以前，人们就猜测过天体之间存在着某种作用力，如中国宋朝著名科学家沈括在《梦溪笔谈》中就曾提出过海潮是由月亮激发起来的正确观点。历史上第一个科学的引力理论是I.牛顿提出来的。牛顿万有引力定律说：宇宙中任何两个质点间存在着相互吸引力，力的方向沿着二者的连线，力的大小和二者质量的乘积成正比而和它们之间距离的平方成反比。在这基础上发展起来的天体力学，不仅使人们可以精确地计算太阳系内天体的轨道，预言海王星的存在，实现航天飞行等，而且促进了人们对太阳系外的双星、星团的运动和星系动力学、恒星形成和恒星演化的研究。这一系列的成就说明，牛顿引力理论是一个经受了长期实践检验的相对真理。

1859年，U.-J.-J.勒威耶发现在水星近日点进动问题中，存在着牛顿理论无法说明的部分，1882年，S.纽康测定这部分差值为每百年43″，这是不容忽视的。有人推测这可能是由于所谓水内行星的吸引造成的；也有人试图修改牛顿万有引力定律中的平方反比规律，但都没有成功。

1905年，A.爱因斯坦提出狭义相对论，突破了绝对时间和绝对空间的观念，否定了瞬时超距作用，从根本上动摇了建立在这些旧观念基础上的牛顿引力理论。经过约十年的探索，爱因斯坦于1915年提出了迄今为止最成功的近代引力理论──广义相对论。

广义相对论的基本出发点是引力场中，在较小范围内，所有自由下落的物体具有同样的加速度。换句话说，任何物体的引力质量等于其惯性质量。这个从伽利略时代起就为人们熟知的事实，在19世纪末由匈牙利物理学家厄缶验证到10^–9的精度（20世纪60年代以来，这个实验的精度又提高到10^–11和10^–12）。爱因斯坦由此出发提出了均匀引力场和均匀加速参考系等效的原理（见等效原理），以及一切自然定律应在任意坐标变换下协变的原理（通常称为广义相对性原理）。

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 R _μν为里齐张量， R为标量曲率， g _μν为度规张量， T _μν为物质的能量–动量张量， G 是 引力常数（见 弯曲时空、 度规）。

引力场中的自由粒子沿着四维时空连续统中的测地线运动。测地线的微分方程是：

式中d _τ²=– g_μνd x^μd x^ν , τ为原时， Γ_μν λ 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）。

从20世纪20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宇宙微波背景辐射的发现而得到支持（见宇宙学）。60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。