1687年, 艾萨克・牛顿在《自然哲学的数学原理》里提出了叫人惊奇于世界的万有引力定律, 此一理论好似横贯黑幕的亮光, 用以照亮人类明白宇宙运动规律的途径句号。
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在往后连续的两百多年期间内, 牛顿力学凭借它那简洁的数学表现形式以及强劲的解释能力, 变成了物理学领域中不可撼动的根基, 甚至致使当时的科学家们坚定不移地相信, 物理学的宏伟建筑已然基本上构建完成, 余下的工作仅仅是对这座建筑物开展细微的修补工作。可是, 当阿尔伯特・爱因斯坦带着相对论突然出现的时候, 人们才切实察觉到, 牛顿力学所描绘出的宇宙仅仅是极小的一部分, 一场有关时空本质的物理学变革即将降临。
牛顿提出的万有引力理论表面上看着挺简单, 实则里头蕴含着极为深刻的宇宙规律, 其核心观点是在于, 一, 宇宙当中任意两个具有质量的物体之间, 二, 都会存在着一种彼此相互吸引的作用力, 三, 这种相互吸引的作用力的大小, 是跟两个物体质量的乘积呈现出成正比的关系, 四, 并且与它们之间距离的平方是成反比的, 五, 而且其方向一直沿着两个物体质心的连线, 六, 大小相等, 七, 方向还相反。这一规律, 不但能够极为完美地阐释地球上苹果落地、潮汐涨落诸多常见现象, 而且还可精准地对行星围绕太阳的公转轨道予以预测, 甚至助力天文学家发现了海王星, 1846年, 勒维耶依据牛顿力学把这颗未知行星的位置计算了出来, 随后伽勒借助望远镜在预测位置周边将其找到了, 这一发现更是使得牛顿力学的地位抬高到了顶峰。
从数学公式来看，牛顿万有引力定律可表示为：
这个公式简简单单很明晰, 运用起来不用那些繁杂的数学工具就能领会和使用, 就算是于当下, 初中这段时期年龄的学生凭借学习便可以掌握其根本的原理。恰恰是这般的简洁与普遍适用的特性, 致使牛顿力学有着很长一段日子都被看作为 “宇宙的最终的定律”, 不管是在地球上的机械的运动, 又或者是太阳系里边天体的运转, 好像全都能够在牛顿力学的架构范畴里获得周全的诠释。
但是, 科学的本质是在于持续不断地进行质疑以及探索, 任何一种理论都必然要接受实践的检验, 并且具备 “可证伪性”, 也就是说, 哪怕一个理论已经被无数回验证是正确的, 只要存在一个跟理论预测不相符合的现象, 便意味着这个理论有可能存在着局限性, 需要进一步去完善。牛顿力学也不例外, 随着观测技术持续不断地进步, 一些没办法用牛顿力学加以解释的现象开始渐渐地浮现出来, 其中最为典型的就是水星轨道进动问题。
首先, 在太阳系这八个大行星里, 水星是和太阳距离最近的那颗行星, 它的公转轨道形状呈现椭圆形态。然后, 依据牛顿万有引力定律所做出的预测来看, 水星围绕太阳进行公转时, 其轨道应当是一个封闭的椭圆。这也就意味着水星每完成一回公转之后, 就会重回初始位置, 而且椭圆长轴的方向不会出现改变。然而呢, 天文学家借助长时间的精确观测察觉到, 实际的情形并不是这样：就是水星每围绕太阳公转一圈, 其轨道椭圆的长轴便会产生微小的转动, 这种现象被称作 “水星轨道进动”。
想要能够更为直观地去理解 “进动” 这个概念, 我们能够去想象一个处于旋转状态的陀螺, 当这个陀螺呈现直立旋转态势的时候, 它自身转轴那种方向是保持不发生改变的, 然而假若是受到了外力的干扰情况（就好比地面出现的微小倾斜这种状况）, 那么陀螺的自转轴就会围绕着垂直方向进行缓慢的旋转, 这种情况便是陀螺的进动了。
同样类似的是水星轨道的进动, 其“自转轴”对应的恰是轨道椭圆的长轴。经天文学家计算探寻得知, 有水星轨道这种情况, 水星星轨进动速率大致是每经历百年就有5600角秒（这里1角秒恰好等于1/3600度）, 在这当中, 存在着这样的情况, 能够通过其他行星（像金星、木星）对水星产生的引力干扰这种方式来对大部分进动予以解释, 然而, 还是存在着这样一种状况, 大约每百年会有43角秒的进动没办法运用牛顿力学去进行解释。
这个显得很细小的偏差, 看上去好似没什么大不了, 然而却于物理学的领域之中引发了相当巨大的震动, 需要知晓的是, 牛顿力学已然统治物理学界长达两百多年之久了, 数不清的现象都在它的框架范围以内取得了堪称完美的解释, 现如今却在水星轨道这一件被视作“小事”的事情上面遭遇了挫折。在那个时候, 科学家们陷入到了迷茫的状态之中是这样的: 他们一方面既不太愿意去相信牛顿力学是存在着缺陷的, 另一方面却又没有办法去忽略观测所得到的数据跟理论预测二者之间所存在的矛盾。于水星轨道内侧, 有人提出, 可能存在一颗未被发现的行星, 此行星被命名为 “祝融星”, 其引力会对水星产生额外干扰, 进而致使轨道进动出现异常。为找寻这颗假想中的行星, 天文学家们开展了数十年观测, 然而始终未有所获。
水星轨道进动之外, 牛顿力学遭遇另一严峻挑战, 那是引力传递速度问题。依牛顿理论而言, 引力属“超距作用”, 意思是引力传递无需时间, 不管俩物体间距多远, 只要其一物体位置变动, 另一物体就能即刻感受到引力变化。举例来讲, 倘若太阳突然不见, 依照牛顿力学预测, 太阳系里的所有行星会在太阳消失那一刻失去太阳引力束缚, 马上被甩离太阳系。
但这一观点与我们对光的认知产生了矛盾。
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我们清楚晓得, 光的传播速度是存在限定的, 大概是 30 万公里每秒, 太阳光从太阳抵达地球大概需用时 8 分钟, 也就是说, 要是太阳忽然不见, 地球上的人们得在 8 分钟之后才能够看到太阳不见的情形（也就是天空陷入黑暗）。那么, 引力的传递真的能够超越光的速度, 致使地球在太阳消失的刹那间就感受到引力的改变吗? 这一矛盾使得越来越多的科学家开始对牛顿力学的时空观产生质疑, 还为爱因斯坦相对论的诞生埋下了伏笔。
于1905年之际牛顿是物理学家吗，爱因斯坦发表了名为《论动体的电动力学》的作品, 进而提出了狭义相对论, 此理论将牛顿力学所构建的“绝对时空观”全然打破, 为物理学的进步开拓出了全新的路径。在牛顿力学范畴里, 时间与空间是彼此独立的, 并且具备绝对性, 也就是说时间的流逝速率以及空间的尺度不会因观测者的运动状态而产生改变。比方说, 无论你身处于地面之上, 还是乘坐着高铁进行高速运动, 你所测量得到的1分钟时间以及1米长度, 和其他人测量得出的结果都是一样的。
不过对于时间和空间并非绝对不变, 伴随着观测者运动速度而产生变化, 其中时间和空间具有相对性, 这一情况爱因斯坦是借助对于光的传播规律以及电磁现象的深度探究从中发现的, 狭义相对论的核心能够概括成两个基本原理:
其一是“相对性原理”, 此原理表明, 在任何惯性系里, 也就是静止或者进行匀速直线运动的参考系当中, 物理规律所呈现的形式全都一样；其二是“光速不变原理”, 该原理指出, 在任何惯性系之中, 光于真空中的传播速度始终恒定, 大概为30万公里每秒, 并且与光源以及观测者的运动状态并无关联。
基于这两个原理，爱因斯坦推导出了一系列令人震惊的结论：
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关于时间膨胀效应, 运动着的时钟会出现变慢的情况, 以乘坐上一艘飞行速度达到0.8倍光速的宇宙飞船为例, 在处于地面的人观测角度来看, 飞船之上的1小时等同于地面上时长为1小时40分钟那样, 反之由处于飞船上的你进行感受时, 处于地面的时间依照相同原理也会变慢, 原因是运动呈现出相对性, 你会觉得自身处于静止状态, 而地面则是以0.8倍光速处于运动之中还有关于尺缩效应的描述: 运动着的物体在其运动方向上去测量出的长度会有缩短的现象由此可知。就把那以0.8倍光速飞行着的宇宙飞船当作例子来讲, 在处于地面上的人眼里看来, 飞船的长度会缩短成处在静止状态时的百分之六十；同样的道理, 在飞船上面的你去看去想牛顿是物理学家吗，地面上的物体长度同样是会缩短起来的。质能方程讲述的是: 质量跟能量是具备等价性的, 二者能够相互进行转化, 它们之间存在的关系是E=mc^2（这里面E代表的是能量, m代表的是质量, c代表的是光速）。这个方程所表明的是, 哪怕只是小小一块物质, 它也是暗藏着巨大能量的（这是由于光速的平方是个极其大的数值）, 这也给之后核能的开发以及利用给予了理论方面的基础条件句号。
狭义相对论被提出, 这一行为不但解决了牛顿力学跟光速传播相互间的矛盾, 而且针对牛顿力学内里的质量、引力等概念给出了新的质疑。举例来说, 按照质能方程, 质量仅是能量的一种表现形式, 那么能量是不是也能够产生引力? 一束具备能量的光, 是不是会被别的物体的引力吸引住, 又或者吸引别的物体? 牛顿所提出的万有引力定律, 仅仅考虑了物体处于静止状态下的质量, 然而却没有办法去解释运动着的物体其质量发生的变化——这里狭义相对论提到, 物体的质量会因为运动速度的不断增加从而增大——对于引力所产生的影响, 当两个物体处于相对运动的状态时, 它们彼此之间引力的大小是不是会出现变化呢? 诸如此类的问题, 牛顿力学都没办法给出符合情理的答案。
狭义相对论尽管收获了巨大成功, 然而它只适用于惯性系, 没办法对引力场里的物理现象（像是自由落体运动）作出解释。为把相对论应用范围拓展到所有参考系（涵盖加速运动的参考系）, 爱因斯坦又历经十年的艰难探索, 最终于1915年提出了广义相对论, 这一理论称得上是人类思想史上极为伟大的成就之一, 完全改变了我们对于时空和引力的认识。
广义相对论的核心是 “等效原理” 和 “时空弯曲”。
作为被称呼成 “等效原理” 的内容, 是指惯性质量, 也就是衡量物体质量里惯性大小的那个物理量, 它是体现物体抵抗运动状态变化那份能力的东西, 和引力质量, 也就是衡量物体产生或者受到引力大小的那个物理量, 相互之间是等价的。简要来讲, 一个物体在引力场当中自由进行下落后会拥有的加速度, 和它自身的质量不相关。如同实例当中, 在处于真空状态的环境下, 羽毛以及铁球会以同样的加速度而往下落行, 这种情况已经被无数次数的实验给证实印证了。
缘基于等效原理之故, 爱因斯坦提出来一个颇大胆的猜想是, 于局部范围之内而言, 引力场与处于加速运动状态的参考系, 实则相互之间是不能够加以区分判定明辨理清的。
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例如, 若是你乘上一个封闭的电梯, 当电梯以加速度g, 也就是重力加速度, 其数值约为9.8米每二次方秒, 朝着上方运动之时, 你会体会到一个朝着下方的“重力”, 此等感觉跟你站在地面之上所感知到的重力全然一样；相反地, 要是电梯自由往下掉落, 即处于完全失重的状态, 你会感觉不到丝毫重力, 仿若在太空中飘浮那般。这一猜想有着这样的意味, 那就是, 我们能够借助引入加速运动的参考系这种方式, 以此来达到“抵消”局部范围内引力的目的, 这样一来, 便能将非惯性系转化成为惯性系, 然后进一步应用狭义相对论的规律。
但爱因斯坦可没滞留在眼下这一步, 他向着更深层进发并抛出观点, 他指出, 引力它根本不是那种“超距作用”, 它实际上是时空被弯曲之后呈现出来的一种情形。于牛顿力学里, 时空呈现平坦、刚性之态, 恰似一张能无界限延展的平面, 物体于引力作用之下, 沿着曲线展开运动；然而在广义相对论范畴内, 时空却是柔软、能够弯曲的, 仿若一张具备弹性的床垫——当一个存有质量的物体放置于床垫之上时, 床垫会被压出一处凹陷, 此凹陷即为时空的弯曲；并且其他物体于经过这个凹陷之际, 会顺着凹陷边缘开展运动, 看上去仿佛是受到了引力的吸引。
按照更通俗易懂一些的言语来讲, 广义相对论的关键要点能归纳成两句话: “作为时空而言会告知物体怎样去运动”, “物体则会告知时空怎样产生弯曲”。具体来讲:
物质和能量决定时空的弯曲, 宇宙里的任何物体, 哪怕是行星、恒星, 亦或是光子、中微子, 都有质量或者能量, 这些物质与能量会让周围的时空产生弯曲。倘若物体的质量变大, 抑或能量增多, 那么这物体与时空弯曲程度之间的关联就会愈发显著, 时空会愈发明显地发生特定程度的弯曲, 比如, 太阳所客观具备的质量在数值上要远远大于地球, 进而鉴于此具体事实, 太阳所处领域周边的时空弯曲具体的程度, 要远远超过地球所处领域周边, 而黑洞, 作为宇宙当中已知质量最大、密度最高极高的天体, 其所占据领地区域周边的时空实现弯曲的具体程度, 已然将弯曲程度推往极致状态, 就连光以特定运动态势运行, 都根本无法从中脱险跳出其“引力”（实际上是时空弯曲所形成的陷阱）。物体运动轨迹由时空弯曲所决定, 在平坦时空当中, 当物体不受外力作用之时, 它会沿着直线去运动, 也就是所谓的“惯性运动”, 而于弯曲时空里, 物体的“直线运动”实际上呈现为沿着时空的“测地线”来开展运动呢, 测地线是那种处于弯曲时空中两点之间最短的距离, 相似于平坦平面之上的直线。比如说, 地球围绕太阳进行公转, 并非是由于太阳对地球施加了某种所谓的 “引力拉力”, 而是鉴于太阳致使周围的时空出现了弯曲, 地球顺着弯曲时空的测地线展开运动, 进而形成了我们所看到的公转轨道。
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牛顿力学没法解释, 水星轨道进动问题, 广义相对论给解决了。按广义相对论计算, 太阳周边时空弯曲, 会致使水星轨道产生额外进动, 数值是每百年43角秒, 跟观测数据完全相符第一考试网，这结果, 既能验证广义相对论正确, 又彻底解决困扰物理学界数十年的难题。除此之外, 广义相对论进而预测了一连串新的现象, 像是引力透镜效应, 遥远天体的光走近大质量天体附近之际, 会因时空弯曲从而发生偏转, 形成类似透镜的成像效果；还有引力波, 它是时空弯曲的涟漪, 通过大质量天体的剧烈运动产生等, 这些现象随后分别被观测所证实, 进一步稳固了广义相对论的地位。
广义相对论被提出, 这无疑是物理学史上出现的一场革命, 其揭示了时空以及引力的本质, 把人类对于宇宙之认知提升到一个新高度。不过令人感到疑惑的是, 即便广义相对论已被无数回验证乃是正确的, 而我们不仅在日常生活里, 甚至在航天工程当中, 依旧主要运用牛顿的万有引力定律, 并非广义相对论。这究竟是因何缘故呢。
答案实际上挺容易明白: 牛顿力学系广义相对论于低速、弱引力状况下的近似, 它的精度已然足以契合我们的实际各类需求, 并且运用起来可比广义相对论便捷许多。
首先, 就适用范围而言, 广义相对论的优势着重呈现在高速（接近光速那般）、强引力（像黑洞、中子星附近这种）的环境当中, 然而在我们日常生活所处的低速（远低于光速的状态）、弱引力（比如地球表面这种情况）环境里, 广义相对论跟牛顿力学的预测结果几近不存在差异。
比如说, 当我们针对苹果落地所需时间、汽车行驶所经轨迹展开计算之际, 运用牛顿力学获取的计算成果跟使用广义相对论得出的计算后果, 二者的误差非常微小, 简直能够忽略不计；哪怕是在航天工程范畴之内, 像进行卫星发射、探测器发射之时, 牛顿力学所具备的精度已然是足够的 —— 人类所发射的人造卫星、月球探测器、火星探测器等等, 皆是把牛顿力学当作主要的理论根基来开展轨道设计工作的, 其误差常常要比观测之时产生的误差、工程上出现的误差（像是火箭推进剂存在的微小偏差情况）还要少, 根本用不着启用复杂的广义相对论。
其次, 就数学复杂度而言, 牛顿力学的公式简洁易懂, 仅需基本的代数知识便可理解, 再加上基础几何知识就能拿来应用。可是, 提及广义相对论, 它存在那样一部分内容, 也就是那个核心方程 爱因斯坦引力场方程, 那呈现出的可是一套极为繁难且复杂的二阶非线性偏微分方程组了。其形式非常麻烦到什么地步, 非得详尽钻研极其高深的诸如张量分析、黎曼几何等艰深数学知识以充分了解, 如果想要试着求取方程差不多的解, 那同样需要极高的数学方面的相关技巧才行。
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比如, 爱因斯坦在提出广义相对论以后, 也仅仅能够借助近似办法求解引力场方程, 从而获得水星轨道进动、引力透镜等预测成果；然而要精确求解引力场方程, 通常情况下需要依靠超级计算机, 这在日常的生活之内还有常规航天工程之中明显是“大材小用”。
有一种情况, 我们可用生活里的一个事例去领会这一点, 那就是, 要是你打算把一桶几十斤重的桶装水从一楼移到三楼；采取直接拿手扛起走上楼去的方式, 这是最为简便的办法, 也是效率最高的办法；要是你非得动用一台大型吊车去搬运这桶水, 虽说从理论方面来说是能够行得通的, 然而明显既会造成资源的浪费, 同时又是没有必要这么做的。牛顿力学等同于 “以手扛水”, 尽管简易, 然而能够极为高效地处理我们日常生存当中的难题；而广义相对论等同于 “大型吊车”, 虽说功能很强大, 可是唯有在应对 “重量级” 难题（像探究黑洞、引力波、星际旅行之类）之际才会被运用到。
物理研究进程从牛顿的万有引力定律起始, 再到爱因斯坦的相对论领域拓展, 其发展历程清晰表明, 科学绝非那种始终如定格般毫无变动的既定规则, 反而是处于持续进展、连续完备的这样的动态进程之中。牛顿力学于身处的相应时代收获了灿烂辉光的成果, 这为人类解析宇宙搭建出稳固坚实依据根基；相对论却是坐落于牛顿力学奠基之上, 进一步详尽揭示出时空以及引力所蕴含的内在本质内容, 把人类已然存在的认知界限朝着视野更宽阔的宇宙方向推移扩展。
当下, 相对论已然成为现代物理学的关键支柱, 于天体物理范围、宇宙学领域、粒子物理范畴等发挥着不可被替代的作用 , 比如说, 科学家借助相对论钻研黑洞的生成与演变 、宇宙的起始与扩张 、引力波的探测跟分析等 , 持续探寻宇宙的奥秘。然而我们也绝不能漠视牛顿力学的价值 , 它于日常生活场景、工程技术领域、基础物理教育阵地等依旧拥有不可替代的位置 , 是我们认知世界 、改造世界的重要工具。
物理学探索不会有尽头, 因观测技术不断进步以及理论研究不断深入, 也许未来会出现新理论, 进而把我们对宇宙的认知完善得更好。但不管怎样, 牛顿与爱因斯坦这两位称科学巨匠的人的贡献, 会永远被铭刻在物理学的历史长河里, 以此激励一代又一代科学家不断去追求真理、探索未知。