引力物理

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第187页（3672字）

引力是自然界已知的4种基本相互作用之一。

任何物体毫无例外地都受到引力相互作用。对地面物体所受的重力，人类早有认识，而当今人类的视野已扩展至大尺度的时空范围，对于宏观物体运动和演化，引力更是起着主导的作用。因而近代引力论成为天体物理学前沿研究的基本理论工具。还有迹象表明，引力效应可能对某些微观过程起着一定作用，引力和另外3种基本相互作用的统一亦愈来愈受到关注。

引力理论的研究已经并正在继续改变和充实着人类对时空和宇宙的认识。另一方面，由于引力实验是以广阔宇宙空间为“实验室”的、高精度的实验，它依赖着也同时推动着各种精密测量技术、空间技术等的发展。

引力物理的第1个里程碑是众所周知的牛顿万有引力定律(1687)，它在弱引力场和低速运动的情况下相当准确地、统一地描述了地面物体和行星的运动。1916年，爱因斯坦(A．Einstein)创立的广义相对论是人类对引力认识的一次新飞跃。

爱因斯坦把“引力质量与惯性质量相等”提升为内涵更丰富的“等效原理”，并提出了“引力几何化”的思想。根据这一思想，引力不是一般意义上的“力”，而是“时空的弯曲”。由于物质无例外地在时空中运动，这就自然地解释了引力的万有性。广义相对论可以概括为：“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲”。

后者定量地体现为爱因斯坦引力场方程。爱因斯坦引力场方程是一个二阶非线性偏微分方程，它的第1个解析解——真空静态球对称解——随即由史瓦西(Schwar2schild)得出。在此基础上，广义相对论解释了水星近日点每百年约43″的剩余运动，并预言擦过太阳表面的光线将发生1．75″的偏折。后者于1919年被爱丁顿(Eddington)率领的日全食观测队所证实，这事件使整个科学界为之震惊和激动。

此后，爱因斯坦用广义相对论研究我们的宇宙，宣告了作为科学的宇宙学的诞生。韦尔(H．Weyl)试图把几何化的思想推及电磁场，开创了研究各种相互作用统一理论的先河。

60年代以后，一方面由于天文学的一系列重大发现(类星体、脉冲星、宇宙背景辐射等)的刺激，另一方面由于高精度的计时、测距等技术及空间技术的发展，广义相对论和引力的研究空前活跃。出现了大量不同于广义相对论的引力理论，并对广义相对论及其他引力论进行了大量高精度的实验检验，包括对引力最基本的性质(如等效原理等)的检验，以及大量的“后牛顿检验”等。

(多数近代引力论以牛顿理论为极限，但在高一级近似——即“后牛顿效应”的预言上是各不相同的。)到目前为止，只有极少数引力理论能通过所有这些严格的检验，其中广义相对论仍然是最“标准”的引力论。

另外，近年来对广义相对论的内涵，亦开展了大量艰难的理论探索，例如大尺度时空结构的研究，爱因斯坦场方程的求解，包括对引力场研究有重大影响的匀角速转动球体的外部引力场解，即Kerr解(R．P．Kerr，1963)。

虽然广义相对论今天以其优美的理论结构和坚实的观测与实验基础而处于引力物理的核心，但这当然丝毫不意味着引力物理研究的终极，而恰恰是大大激发了引力物理的研究。

由于引力场十分微弱和不可屏蔽，以及近代引力论用来描述引力场的数学工具十分精巧，且物理内涵十分丰富，因而无论在实验还是理论上，引力物理领域还有很多极有意义的问题等待我们解决。另一方面由于近年来，随着精密加工和测量技术、低温技术、激光技术、无线电技术、空间技术的飞速发展，使得引力物理的实验手段有了较快的提高。而大型高速电子计算机的出现，使寻求高度非线性的引力场方程的数值解成为可能。

理论研究和观测实验正成为引力物理研究中互相促进而又互相补充的两个方面。

在目前和今后的一段时间内，以下几方面可能成为引力物理研究的热点：

高精度的引力物理实验 现有实验的精度还有待进一步提高，广义相对论和其他引力理论中有所预言、而未被实验证实的部分还需进行检验，例如自旋质量的磁型引力的检验，引力辐射的直接检测，黑洞的确认等。

引力辐射的实验可能继续成为实验引力物理的一个热点。

尽管经过几十年的努力，引力波探测器的灵敏度已提高了四个数量级，但仍未达到所需的灵敏度。世界对引力辐射的实验研究并未因此而冷落下来，这是由于引力波的直接检测将是区分广义相对论和其他并行的引力理论的重要证据。

任何成功的引力理论，在弱场情况下都具有相同的牛顿极限。牛顿反平方律的精确检验将对引力物理的理论基础是否牢固作出判断。

在宇宙尺度上已证明反平方律与实验结果很好地符合，中等尺度的实验也有一些结果，未来的实验应在厘米和毫米尺度上进行。

如何把空间引力实验移至实验室进行，是今后实验引力物理学家的一个努力方向。

以天体作引力源，在空间或地面进行的实验或观测将不可避免地带有很大的不确定性。要较大幅度提高实验的可信度，必然要采用实验室尺度的物体质量源进行实验。

引力场方程求解的研究 从广义相对论第1个精确解——球对称史瓦西解得到以后，人们在寻求引力场方程精确解上取得了很大的进展。但现在得到的许多解，都只在形式上满足引力场方程，而对它的边界条件、解的物理意义、是否存在可以检测的物理效应等都不甚清楚。由于引力场方程中未知数的个数大于方程的个数，要得到唯一确定的解，除了边界条件外是否还需要补充约束方程，亦在探索中。

求解高度非线性的引力场方程的解析解需要在数学上开展解的生成技术的研究，即如何从一个已知的解寻求另一些解。

引力场方程求解研究的另一内容是寻求引力场方程的近似解和数值解。

随着高精度引力物理实验的开展，引力场和其他场，如电磁场、量子场等的耦合解正显得越来越重要。

引力物理和量子力学的交叉 引力理论中奇点的存在在经典理论范围内无法消除。有人猜测，也许考虑量子性的引力理论后，就可能导致奇点的消失。另一方面，由于弱相互作用和电磁相互作用的统一已经完成，作为下一个目标，就应该考虑自然界4种相互作用的大统一理论。研究这种统一，其实质就是研究量子引力理论。

目前的研究成果离最终的统一还十分遥远，但弯曲时空的量子场论将引起越来越多物理学家的兴趣。

引力物理与天文学、天体物理学的交叉 支配宇宙达到和谐的各种因素中，引力是起着主导作用的。正是由于引力的存在，才使宇宙避免了热力学第二定律预言的“热寂”，使宇宙按一定的规律演化。所以，从引力物理诞生之日起，它便与天文学和天体物理学建立了牢不可分的关系。

天文学和天体物理学的发展给引力物理的发展提供了证据，引力物理的发展给天文学和天体物理学的发展提供了预言。

可以认为，在今后相当长的时间内，随着天文观测手段的完善，关于宇宙起源与演化，致密星体、黑洞，引力波天体源，宇宙大尺度结构的观测和理论解释将是这一领域的热点。

。【参考文献】：

1 Misner C W, et al. Gravitation, W. H. Freeman Company , San Francisco ,1973

2 Hawking S W,Isreal W. General Relativity,Cambridge Univ Press,Cambrodge ,1979

3 温伯格S着．引力论和宇宙论．邹振隆等译．北京，科学出版社，1980

4 秦荣先，闰永廉．广义相对论与引力理论实验检验．上海：上海科学技术文献出版社，1987

5 Blair D G．Proceedings of the Fifth Marcel Grossmann Meeting on General Relativity，et al，World Scientific，Singapore，1988

6 郑庆璋，崔世治．广义相对论基本教程．广州：中山大学出版社，1991

(中山大学崔世治教授、唐孟希副教授撰)