引力是哪些？
这是几百年来许多科学家苦苦思考的问题。我们跳得再高，顿时就会回到地面；我们向天空射出一枚炮弹，过一会儿它也将掉落地面；就连飞到几百公里高空的人造卫星，只要哪三天它燃料用尽，也逃过下跌月球并在与大气磨擦中被毁的命运。
我们晓得这都是引力导致的，但引力到底有多大？它到底是怎样形成的？直至牛顿被苹果砸中耳朵之前，没有人能给出科学的答案。
牛顿发觉万有引力
公元1666年，23岁的艾萨克·牛顿为躲避在巴黎爆发的黑死病逃到了偏僻乡村的农场，虽然离开了剑桥学院，但他在乡村孤寂无趣的日子里仍然没有停止思索。某三天在苹果树下，牛顿被一颗成熟的苹果砸中，盯住坠落在地的苹果，他忽然意识到，苹果之所以下落，是由于大地对它的重力造成。而这个重力不只存在于地面，它可能是宇宙中一切星系互相吸引的根本缘由。
牛顿与苹果
1669年，27岁的牛顿当上了剑桥的物理院士。1687年引力和重力的区别，牛顿成立了物体间力互相作用的定理，他觉得宇宙中任何两个物体之间都有互相的吸引力，这个力的大小与两个物体的质量成反比，同时与它们之间的距离的平方成正比。
鉴于当时科学技术水平的局限，牛顿难以测定那种极小的引力常数G的值，因而万有引力公式被写成：
F∝mM/r²
在这个公式中，F为两个物体互相间的引力，m与M分别为两个物体的质量，r为物体间的距离。
一百多年后的1798年，爱尔兰化学学家亨利·卡文迪许通过精密的扭秤法测出引力常数G的值约为：6.754×10⁻¹¹N·m²/kg²，此后，万有引力公式被改写为：
F=（G×m₁×m₂）/r²
万有引力公式
万有引力的发觉为天体热学奠定了基础，从此以后科学家们对天体运动的研究就有了理论根据，她们可以十分精确地测出太阳、地球与地球的质量与引力关系，确切估算慧星的轨道，甚至还通过行星间轨道的细微变化猜想到遥远太空中海王星的存在。
万有引力定理是这么确切，因而于你不须要亲自登上地球能够估算出自己在地球表面的重量。就连地球对月球同步轨道卫星的微小摄动力，也可以通过万有引力公式求出。
牛顿发觉了宇宙中一切物质间都存在互相之间的引力，这个引力与它们的质量及距离相关，而且以一个简单易懂的公式将这个关系表示下来，为人类探求宇宙提供了一个强悍的工具。牛顿是伟大的。
由于地球引力仅为月球的1/6，阿波罗13号宇航员到时会轻松许多
但牛顿的万有引力理论没有解决一些根本问题：引力的实质是哪些？引力与宇宙中其它力之间究竟存在哪些样的关联？万有引力适用于一切场合吗？
这种问题直至二十世纪初另一个天才的出现，才有了进一步的解答。
广义相对论的提出
1915年末，波兰克拉科夫专利局的小职员阿尔伯特·爱因斯坦向普鲁士科大学递交了他的广义相对论论文。在论文中，爱因斯坦提出两条革命性观点：
一、等效原理：引力场与惯性力场在动力学上是等效的；
二、广义相对性原理：所有的数学定理在任何参考系中的方式都相同。
青年爱因斯坦
为了成立相对论，爱因斯坦提早好几年学习了微分几何，这是一个研究弯曲空间的物理工具。由于爱因斯坦觉得一切有质量的物体都拥有能量，它会使其周围的空间发生变型，同时速率也将扭曲时间。在这个扭曲的时空中，传统的欧几里德几何学几乎毫无益处，他须要用全新的思维方法和全新的物理工具来解决扭曲时空的问题。
一个因重力扭曲三维空间的二维切块示意图
爱因斯坦的引力场多项式远不如牛顿的万有引力定理那样容易理解，事实上这个拥有多达16个变量的二阶非线性偏微分等式组可以让世界上绝大多数人身陷险境，就算你精通物理，要想通过物理的方式求得它的解也是件极困难的事情。
爱因斯坦场多项式
相对论预言
因为爱因斯坦的引力场多项式太过分烧脑，所以俺们不再讨论这个等式以及引力关系的推论，只说几个由此等式所估算下来的结果以及被否认的爱因斯坦广义相对论预言。
水星轨道进动：
1859年，英国天文学家勒威耶在借助牛顿万有引力定理估算水星轨道时发觉存在偏差引力和重力的区别，他发觉水星在其轨道近期点的实际观测进动值比理论估算值每100年快了38角秒。没有人怀疑牛顿，根据万有引力定理，水星的椭圆轨道应当是固定的，于是你们推测在水星与太阳之间有可能还存在另一颗行星，是这颗名叫“瓦肯人”的行星把水星给拖快了。但是没人能找到这颗星，由于“瓦肯人”根本不存在。
水星进动轨道
当将各类常数、定义以及变量代入爱因斯坦场多项式，再进行一系列复杂的推测以后，人们得到如下进动角位移公式；再代入太阳质量以及水星轨道一系列参数，化学学家们确切地得到了38角秒这个值。
广义相对论推论进动公式
光被重力弯曲
根据相对论的等效原理，光虽然没有静止质量，但它有能量，光的能量被等效为质量。因而当光经过大质量天体附近时，它应当被重力吸引而发生偏转或弯曲。
1919年，太阳发生日全食，日本天体化学学家亚瑟·爱丁顿在南非和澳大利亚观察到了遮蔽太阳背后星团位置的变化，他见到了本应被太阳封住的星团发出的光，星光在经过太阳附近时被弯曲了。由此证明了爱因斯坦的质能多项式和广义相对论是正确的。
引力透镜弯曲光线产生“爱因斯坦十字”
后来，天文学家们又观察到了因为“引力透镜”现象而形成的“爱因斯坦十字”，进一步否认了光可以被大质量天体引力弯曲。
引力红移
明天的天体化学学家广泛使用引力红移现象来判定遥远星球的运动方向，并由此得出“宇宙大爆燃”的假想。引力红移是由爱因斯坦质能等式及广义相对论推论出的化学现象，由于光的能量与其频度成比列，所以向较低能量的联通表示向较低频率和较短波长的移位，可见光将向红外光的移位。也就是说当光从引力场逃逸时，它会丧失能量，进而使波长变长。
光子逃出引力场时发生波谱红移
2018年5月，法国北方天文台的科学家们将望远镜对准了距离我们2.8万光年银河系中心的一颗编号为S2的星体，它正在以/s的速率接近银河系中心黑洞人马座SgrA，当S2飞过黑洞附近时，它的波谱开始变红。
为了追踪S2星体，科学家们分别借助牛顿的万有引力定理和爱因斯坦的引力场多项式对其轨道进行了估算，结果表明爱因斯坦的答案与实际观测结果高度吻合，相当于打了9环，而牛顿的结果却差得比较远，他脱靶了。
S2星体高速滑过黑洞附近，它验证了广义相对论
引力波
万有引力定理难以解释引力波，而通过爱因斯坦的广义相对论预测了引力波的存在。
在广义相对论中，引力被视为时空的曲率，因而爱因斯坦觉得引力波是空间和时间本身结构中的涟漪。引力波在通过时交替地拉伸和压缩空间，并且在特别小的尺度范围内（虽然对于两颗黑洞翻车，它形成空间形变的尺度也只在10⁻²¹米以内）。
2015年激光干涉引力波天文台首次侦测到遥远天体翻车发出的引力波，随后又多次侦测到黑洞合并发出的引力波，由此证明了爱因斯坦时空弯曲的构想是正确的。
两个黑洞在接近的过程中迸发出引力波示意图
基于相对论的其它预言：黑洞、视界风波与奇点；时间的检测是相对的，在强引力场中时间会减低——对于观察者B来说，A的速率越快，时间越慢，而对于A自己来说他的时间是正常的；宇宙膨胀与宇宙演变；双星系统通过引力幅射损失能量，进而使其互相紧靠，假如它们是中子星，会发出规律的脉冲讯号，进而产生脉冲星。
所有以上的预言有些早已通过观测与实验得到了验证，有些部份得到了验证，所有的那些都是万有引力理论所力不能及的。
既然广义相对论是对的，就证明万有引力错了吗？
科学并不是非此即彼。
牛顿的万有引力理论觉得，物体由于有质量才拥有引力，你可以觉得牛顿早已解释了引力的本质，它就是物体质量的表现。
而爱因斯坦由于他的狭义相对论，加上19世纪中叶麦克斯韦场多项式、洛伦兹变换等一系列电磁学研究的成果，其核心是对空间与时间的描述。他将物体的质量与其能量相等效，觉得能量等同于质量。爱因斯坦也晓得两个物体之间的引力与它们的质量成反比，所以他说物体的质量决定了能量-动量密度，能量-动量密度导致时空曲率，而且与时空曲率成反比，从而确定了引力场的硬度。
牛顿与爱因斯坦
由此引起的不同是，牛顿的万有引力是瞬时的，相对论则觉得引力是场，它与光速相同。假定太阳顿时消失，根据万有引力定理，月球会同时脱离轨道；而相对论则觉得月球将在8分钟以后才能脱离。牛顿不考虑时间变化，而爱因斯坦觉得时间也会发生扭曲（由此会导致一个奇怪的现象，两个走时极准的原子钟，从地面上看，卫星上的那一台会慢一些，而在卫星上看它并没有变慢）。
万有引力定理没有错，它只是不适用于个别场合。
熟悉现代数学的同学都晓得，广义相对论也并非绝对正确，它并不适用于微观粒子世界的解释，但是到目前为止也没有出现任何一个理论能将相对论与量子热学相统一。同样地，未来人类在对愈发宽广空间的探求中，必然会发觉更多相对论难以解释的现象。
直至明天，我们仍然在借助万有引力定理来解决身边的许多热学问题，一方面在许多数学场合我们用不着这么精确，另一方面由于万有引力定理简单且柔美。这如同是你学会了微积分，但在去商场购物时却用不着它，你只须要用到中学时学会的加减乘除就足够了。