关于引力理论,我们最早接触到的是17世纪牛顿提出的万有引力定律。那么,爱因斯坦的引力理论和牛顿的有什么区别呢?在牛顿看来,宇宙中任何质量的物体之间都会有引力。从天体到细菌,引力一直存在。再远也会有引力,这个动作是瞬间的超距动作。根据万有引力定律,物体之间的引力与物体质量的乘积成正比,与物体之间的距离成反比。牛顿万有引力定律很成功。它解释了为什么苹果会落地,为什么地球会绕着太阳转,甚至预言了以前没有发现的海王星的存在。
但在19世纪,天文学家发现万有引力定律是有缺陷的。当一颗行星围绕太阳运动时,每个圆的近日点实际上是不同的。这种现象叫做近日点进动。离太阳越近,近日点进动值越大,水星近日点进动值最大。
天文学家观察到,水星近日点进动的观测值与万有引力定律计算的结果有些差异。观测值和理论值的差值是每个世纪43秒,远远大于观测误差,所以理论肯定有问题。
直到20世纪初爱因斯坦提出广义相对论,水星近日点进动才被完美解释。根据广义相对论,空并不是牛顿描述的绝对直,而是在质量和能量的作用下会弯曲。在空的弯曲空间中,天体和光都会沿着测地线运动,从而表现出引力效应。
根据广义相对论,太阳绕空弯。如果光经过太阳表面,其偏转角约为1.75角秒,是牛顿引力理论计算结果的两倍。不久之后,爱丁顿借助日全食测量了背景星经过太阳附近时发出的光的偏转角。这一结果与爱因斯坦的预测一致,进一步证实了广义相对论。
此后,引力红移、引力时间膨胀效应、引力波等几个广义相对论的预言被一一证实,奠定了广义相对论在现代物理学中的重要地位。广义相对论的实际应用之一是导航卫星的时钟校准。因为导航卫星离地球很远,地球引力很弱,所以星载时钟比地面时钟跑得快。另外还要考虑狭义相对论带来的时钟慢效应。虽然这个时间差很小,但是导航卫星定位过程中会出现巨大的误差。因此,需要消除相对论带来的时间膨胀效应,使导航卫星发挥精确定位的作用。
到目前为止,广义相对论是描述宇宙引力现象最成功的理论。万有引力定律只是弱引力场中广义相对论的一个近似理论,而牛顿引力理论在形式上更为简单,因此在精度不高的情况下可以方便地使用。