重力——宇宙的神秘结合力
本文主要从重力的基本概念、重力在宇宙中的作用、爱因斯坦的广义相对论等方面详细介绍了重力在宇宙中的独特作用和深远影响。重力不仅决定了天体的运动规律,也塑造了宇宙的大尺度结构,是维系宇宙稳定的一股神秘力量。
一、重力的基本概念
重力是什么？为什么存在重力？重力有什么性质？这些问题可能是人类最早也最基本的科学探索。从古至今，人类对重力的认识经历了不断的发展和革命，从牛顿的经典力学到爱因斯坦的相对论，从引力场到引力波，从引力常数到引力子，重力的本质和规律仍然是物理学中最重要也最难解的谜团之一。
重力是物质之间的相互吸引力，它是一种普遍存在的自然现象，任何具有质量的物体都会产生重力，并且受到其他物体的重力作用。重力是一种非接触力，它不需要媒介物质，可以在真空中传播。重力是一种弱力，它比电磁力、强相互作用力和弱相互作用力都要小得多，但它是一种无穷远力，它的作用范围没有限制，可以跨越整个宇宙。
牛顿是第一个用数学公式描述重力的科学家，在1665年也可能是1666年的秋天某一天，牛顿在他家乡下的大别墅院子里思考人生，刚巧坐在一棵苹果树下，突然，一颗瓷实的大苹果从树上掉了下来，正好砸在他的头上，牛顿拿在手里，刚准备破口大骂，突然灵光一闪，为什么苹果会专门砸他，是不是有什么指引？于是，他就到后山的思过崖面壁演算，终于闭关10多年后，他在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中提出了著名绝学万有引力定律，即两个物体之间的引力正比于它们的质量之积，反比于它们的距离的平方，沿着它们的连线方向作用。牛顿引力定律可以很好地解释地球上的重力现象，以及太阳系中的行星运动，它是经典力学的基础，也是人类第一次认识到自然界存在一种普遍的力。
牛顿引力定律虽然很成功，但它也有一些无法解释的问题，比如水星的近日点进动、光的偏折、引力的传播速度等。
这些问题促使爱因斯坦在1915年提出了广义相对论，即重力不是一种力，而是时空的弯曲。爱因斯坦认为，物质会影响时空的几何结构，使得时空变得不平直，而时空的弯曲又会影响物质的运动轨迹，使得物质沿着时空的最短路径（测地线）运动。
广义相对论可以解释牛顿引力定律无法解释的现象，也预言了一些新的现象，比如黑洞、引力波、引力透镜等，它是现代物理学的重要支柱，也是人类第一次认识到时空的动态性和相对性。
重力虽然是一种弱力，但它却是宇宙中最重要的力，它决定了天体的运动规律，也塑造了宇宙的大尺度结构，它是维系宇宙稳定的一股神秘力量。
重力是天体运动的主要驱动力，它使得天体之间形成稳定的轨道运动，也使得天体内部保持平衡状态。比如，地球围绕太阳运动，月球围绕地球运动，都是由于重力的作用，而太阳和地球的内部结构，也是由于重力和其他力的平衡而形成的。
重力还可以导致天体之间的潮汐作用，使得天体的形状、自转和轨道发生变化。比如，月球对地球的潮汐作用，使得地球的海水和地壳发生涨落，也使得地球的自转速度逐渐减慢，而地球对月球的潮汐作用，使得月球的自转速度和公转速度同步，也就是月球的背面永远对着地球。
重力不仅控制着天体的运动，也控制着天体的形成和演化。在宇宙的早期，物质是均匀分布的，但由于微小的密度波动，重力使得物质逐渐聚集，形成了恒星、行星、星团、星系、星系团等不同尺度的结构。重力还可以导致天体的碰撞、合并、分裂等动态过程，使得宇宙的结构不断变化。
比如，太阳系的形成，可能是由于一个原始星云在重力的作用下塌缩和旋转，形成了一个中心的恒星和周围的行星盘，而行星盘中的物质又在重力的作用下凝聚成了各种大小的行星和小天体。而银河系的形成，可能是由于数百亿颗恒星在重力的作用下聚集成了一个旋转的平面盘，而盘的中心又有一个巨大的黑洞，而盘的外围又有一些球状星团和卫星星系。
重力不仅影响物质，也影响时空本身。当时空中存在加速运动的物质时，时空会产生波动，这种波动就是引力波。引力波是一种携带能量和信息的波，它以光速在宇宙中传播，可以穿越任何物质。引力波的存在是广义相对论的重要预言，但由于引力波的效应非常微弱，直到2015年，人类才首次探测到引力波的信号，这一历史性的发现为人类开启了一个新的宇宙观测窗口。
引力波的产生需要满足两个条件：一是物质的运动必须是非对称的，即物质的质心不能沿着直线运动；二是物质的运动必须是加速的，即物质的速度或方向不能保持不变。因此，引力波的主要来源是宇宙中的一些极端和剧烈的天体事件，比如当两颗恒星或两个黑洞或两颗中子星围绕彼此旋转时，它们会产生引力波，并且随着旋转速度的增加，引力波的强度和频率也会增加，直到最后两个天体合并为一个天体，释放出巨大的引力波能量。这种情况被称为双星合并，是目前人类探测到的最强烈的引力波源。
当一颗恒星的核心耗尽燃料时，它会发生坍缩和爆炸，形成一颗中子星或一个黑洞，同时释放出巨大的能量和物质。如果这个过程是不对称的，那么它也会产生引力波。这种情况被称为超新星爆发，是一种潜在的引力波源，但目前还没有被探测到。
在宇宙的早期，宇宙可能经历了一段极快的膨胀阶段，这个阶段被称为宇宙暴涨，它可以解释宇宙的平坦性、均匀性和密度波动等问题。如果宇宙暴涨是真实的，那么它也会在时空中留下引力波的痕迹。这种引力波被称为原初引力波，是一种非常微弱的引力波，但如果被探测到，将是对宇宙起源的重要证据。
引力波的探测是一项极具挑战的任务，因为引力波的效应非常微弱，它对时空的扰动只有极小的量级，比如，当一对黑洞合并时产生的引力波，到达地球时，只会使得地球上的距离发生千万亿分之一米的变化，这相当于一个原子核的直径。为了探测到这样的微小变化，人类设计了一种仪器，叫做激光干涉引力波天文台（LIGO），它利用两条相互垂直的长臂，分别向两个方向发射和接收激光，当引力波通过时，两个方向的距离会发生微小的变化，从而导致激光的相位发生变化，这种变化可以被精密的仪器检测到。目前，人类已经建造了多个LIGO，分布在美国、欧洲、日本等地，它们可以相互协作，提高探测的灵敏度和精度，也可以确定引力波的来源和方向。
引力波的探测是人类对宇宙的一次革命性的观测，它为人类提供了一个新的宇宙观测窗口，可以揭示一些电磁波无法观测到的天体现象和物理过程，比如黑洞的性质、中子星的状态、宇宙的起源等。引力波也可以为人类验证广义相对论的正确性，测试重力的极限情况，探索重力的本质和规律。引力波还可以为人类带来一些意想不到的发现和惊喜，比如新的天体类型、新的物理现象、新的宇宙结构等。引力波是人类对宇宙的一次新的认识，也是人类对自然的一次新的探索。
重力是维系宇宙的神秘力量，它不仅控制着天体运动，也揭示了宇宙奥秘，是联系宏观世界和微观世界的重要桥梁。但重力也是最难理解的力量，它存在着许多未解之谜，比如：黑洞和重力。
黑洞是一种极端的天体，它的质量非常大，密度非常高，重力非常强，以至于连光都无法逃逸出来。黑洞的存在是广义相对论的预言，也是引力波的主要来源，但黑洞的内部结构和性质仍然是一个谜。比如，黑洞的边界，叫做视界，是一个没有回头路的点，一旦跨过视界，就无法返回，那么视界内部是什么样的？黑洞的中心，叫做奇点，是一个密度无穷大，时空失去意义的点，那么奇点是如何形成的？黑洞是否有熵和温度？黑洞是否有发射和蒸发的过程？黑洞是否有毛发和记忆？黑洞是否有多重性和复杂性？黑洞是否有信息和量子化？黑洞是否有内部和外部的联系？黑洞是否有其他的维度和宇宙？黑洞是否有规律和规范？黑洞是否有意义和目的？黑洞是重力的极限表现，也是重力的极大挑战，它可能隐藏着宇宙的最深刻的秘密。
引力波是重力的一种表现，也是重力的一种探针，它可以为人类提供一种新的宇宙学研究的手段，可以帮助人类解决一些宇宙学的难题，比如宇宙的起源：引力波可以追溯到宇宙的最早期，甚至可能比宇宙微波背景辐射还要早，因此，引力波可以为人类揭示宇宙的初始状态，比如宇宙暴涨的证据、宇宙的几何形状、宇宙的总能量等。
引力波可以记录宇宙中的各种天体事件，比如恒星的形成和死亡、黑洞的合并和蒸发、星系的碰撞和融合等，因此，引力波可以为人类揭示宇宙的演化历史，比如宇宙的年龄、宇宙的膨胀速度、宇宙的物质组成等。
引力波可以探测宇宙中的一些隐匿的物质，比如黑洞、中子星、暗物质、暗能量等，因此，引力波可以为人类揭示宇宙的结构特征，比如宇宙的大尺度均匀性、宇宙的小尺度不均匀性、宇宙的密度波动等。
暗物质和暗能量是宇宙中的两大谜团，它们占据了宇宙的绝大部分，但它们的本质和作用仍然不清楚。暗物质是一种不发射和不吸收电磁波的物质，它只能通过重力作用来探测，它可能是一种未知的基本粒子，也可能是一种未知的天体，它在宇宙中的分布和运动，影响了宇宙的形成和演化。暗能量是一种使得宇宙加速膨胀的能量，它可能是一种普遍存在的真空能，也可能是一种变化的标量场，它在宇宙中的强度和性质，决定了宇宙的命运和结局。重力是暗物质和暗能量的唯一已知的相互作用方式，因此，重力是研究暗物质和暗能量的重要手段，也是理解暗物质和暗能量的重要线索。
量子重力理论是物理学中的一个梦想，它试图将广义相对论和量子力学统一起来，建立一个描述宇宙中所有物质和力的完整的理论。量子重力理论的必要性在于，广义相对论和量子力学是两种非常成功的理论，但它们在某些极端情况下，比如黑洞的奇点、宇宙的初始奇点等，会出现矛盾和不一致，因此，需要一种新的理论来解决这些问题。
量子重力理论的困难性在于，广义相对论和量子力学是两种非常不同的理论，它们有着不同的数学语言、不同的物理概念、不同的实验验证，因此，要将它们融合起来，需要一种新的思维方式和新的实验手段。量子重力理论的意义性在于，它可能是人类对自然的最终理解，它可能揭示宇宙的本质和规律，它可能开启人类对自然的新的探索和新的创造。
重力是维系宇宙的神秘力量，它不仅控制着天体运动，也揭示了宇宙奥秘，是联系宏观世界和微观世界的重要桥梁。更深入理解重力，将是人类探索宇宙奥秘的重要一步。