萬物簡介：引力是什麼(中英雙語版)（簡體書）

在《引力是什麼》中，作者將從引力的發現談起，講述引力從何產生，又是怎樣在宇宙中發揮作用。支配宇宙的力量有四種，引力就是其中之一。引力使蘋果從樹上脫落，也使大質量物體彼此接近。引力參與了星系的形成，也影響著我們的生活。從牛頓到愛因斯坦，再到霍金，直到今天引力波被證實，引力一直不斷刺激人們的好奇心。

《萬物簡介》系列叢書，是牛津大學出版社鎮社之寶。自1995年出版以來，該系列已經涉及數十種學科，包含近700本讀物，全球銷量過2000萬冊。《萬物簡介》的特點在於，每一本書對應一個主題，每個主題都由該領域享譽世界的專家撰寫。確保短短一百多頁能講完該學科的所有重要知識點。

[英] 蒂莫西•克利夫頓（Timothy Clifton）博士，畢業於劍橋大學，現任英國倫敦大學瑪麗女王學院教授

◆短短100多頁，牛津教授就給你講清引力的所有重要知識。
◆英國倫敦大學瑪麗女王學院天體物理學教授親筆撰寫
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◆全球銷量超1000萬冊，多本被選為大學入門教材。
◆書通萬物，一本簡介，鎖定讀客科普文庫

01 從牛頓到愛因斯坦

02 太陽系內的引力

03 太陽系外的引力測驗

04 引力波

05 宇宙學

06 引力物理前沿

後記

英文原書

《引力 |01從牛頓到愛因斯坦》

在四大基本作用力——電磁力、強核力、弱核力與引力之中，引力是弱的一個。但是，它主導了長距離下物體的相互作用。引力是僅有的只吸引不排斥的力，而且它不可能被屏蔽。因此大部分的大型物體呈電中性，但不可能呈“引力中性”。有質量的物體之間的引力從來都是使它們彼此靠近的，並且越靠近引力越強。

幸而有牛頓（Newton）和愛因斯坦（Einstein）這樣的天才，我們才能對引力有所了解。但和其他力比起來，引力給科學家們提出了更多艱深的謎題。要想知道為什麼會這樣，我們就要從頭說起，先來了解一下歷史上引力理論是如何發展的。

引力的“上古史”

假設人類從一開始就知道（我們說是假設，但這幾乎是可以確定的），當我們把手裡拿著的東西松開的時候，它總是會往下落。這樣一來，就可以說人類一直都知曉引力的存在。而這種現象發生的原因，正是很多早期思想家關注的焦點。

亞裡士多德（Aristotle）[ 他的著作《物理學》（Physics ）17世紀之前就在歐洲科學界發揮著舉足輕重的作用] 把引力解釋為物體朝向它們“在宇宙中正確的位置”移動的趨勢。他認為這一正確的位置取決於物質的組成成分，準確地說就是取決於物質中四大元素——土、水、空氣和火——各自所占的比例。

亞裡士多德提出，主要由土和水構成的物質應當朝著宇宙中心運動。對他來說，地球就是宇宙中心。因此當我們把由土構成的物體扔出去時，它就會落向地面。至於水，他認為由於土會沉入水底，所以水比土要輕，因此所有的水都存在於土的表面。同樣，由於泡泡浮在水上，故空氣比水輕，那麼空氣的正確位置在水上方，火則在空氣上方。

基於當時人們對物質的構成元素的理解，這一體系從邏輯上給眼前的世界劃分了層次。利用它，人們甚至可以描述物體下落時的加速度。亞裡士多德提出：物體下落的加速度和它們的質量成正比，和它們下落時穿過的介質的密度成反比。也就是說，亞裡士多德認為兩千克的物質下落時加速度是一千克物質的兩倍。

很遺憾，亞裡士多德的理論並不正確。我們知道宇宙並不存在一個中心，好讓物體落向那裡。我們還可以通過實驗證明物體在引力作用下的加速度並不與它們的質量成正比，而是無論物體質量如何都保持不變。這一發現是理解引力過程中的裡程碑之一，因此我們也需要對它作更多說明。

所有物體在引力作用下的加速度都相等，這一事實並不直觀。當我左手拿著一片羽毛，右手拿著鐵塊並同時松手，我不會期待它們同時著地：鐵塊應該先落地。那麼“所有物體在引力作用下的加速度都相等”是什麼意思呢？為了理解這句話，我們需要考慮施加在這兩個物體上的所有力。

當我松開羽毛時，除了引力之外，它還受到其他的力。當開始下落時，它會受到周圍空氣產生的阻力。由於鐵更重，空氣阻力對羽毛的減速作用就比鐵要強。一點小風對羽毛就會有很大的影響，而對鐵塊的干擾微乎其微。因此，上述理論並不適用於我們周圍的環境。實際上，它描述的是物體在只受引力作用的情況下會發生什麼。也就是說，如果除了引力外沒有其他任何作用力，物體就會以相同的加速度下落。

對這一命題的驗證通常歸功於伽利略（Galileo）。傳說1638年，他將兩個不同質量的炮彈從比薩斜塔上扔下，人們發現，無論這兩個炮彈成分如何，它們都以相同的速度落地。近，阿波羅宇航員大衛·斯科特（David Scott）得出相同的結論。他站在月亮上，讓一片羽毛和一把錘子同時落下。（見圖1）因為月亮上沒有空氣阻礙羽毛的運動，所以兩個物體同時落在了月面上。今天，我們把這一現象稱為“自由落體的普遍性”（universality of free fall）。接下來，我們將看到，它既是牛頓引力理論，又是愛因斯坦引力理論的關鍵。