引力，又称万有引力，是使一切具有质量或能量的事物相互吸引的基本相互作用。它是物理学中四种基本相互作用里最弱的一种，比电磁学所描述的电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用弱许多个数量级。尽管如此，引力作用范围无限，而且在普通质量之间总是表现为吸引，因此主宰着宇宙的大尺度结构。引力使行星维持在轨道上，把恒星聚集成星系，推动恒星和黑洞的形成，并决定宇宙如何膨胀。描述引力的理论主要有两种。艾萨克·牛顿的万有引力定律在大多数日常和天文情形中都是极好的近似。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论则是更完整的理论，它把引力视为时空的弯曲。
早期观念
在古希腊，亚里士多德认为，重物之所以朝宇宙中心运动，是因为那里是它们的自然位置。他还主张重物比轻物下落得快，这一观点在此后数百年间几乎无人质疑。科学革命时期，伽利略·伽利莱通过斜面实验证明，在忽略空气阻力的情况下，下落物体无论质量大小，都以相同的匀加速度下落。大约同一时期，约翰内斯·开普勒根据天文观测总结出行星运动的三条经验定律，其中包括行星沿椭圆轨道运行、太阳位于椭圆的一个焦点上。
牛顿引力理论
牛顿在《自然哲学的数学原理》（1687年）中提出，使苹果落地的力与使月球绕地球运行的力是同一种力。他的万有引力定律指出，任意两个质点都相互吸引，引力大小与两者质量的乘积成正比，与两者距离的平方成反比：F = G m₁m₂ / r²。结合牛顿运动定律和微积分方法，这一定律解释了开普勒定律和海洋中的潮汐，还能预言彗星的轨道。1846年，人们根据天王星轨道的异常推算出海王星的位置，并由此发现了这颗行星。时至今日，牛顿引力理论仍是经典力学、航天导航以及天体物理学诸多领域的核心。
比例系数 G 称为引力常量。1797至1798年间，亨利·卡文迪什利用扭秤首次测量了实验室中物体之间的引力，并据此推算出地球的密度。G 至今仍是测量精度最低的基本常数之一，部分原因在于各项高精度实验的结果彼此不符。国际科学技术数据委员会（CODATA）2022年推荐值为 6.67430(15) × 10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻²，相对不确定度约为百万分之二十二。
牛顿本人对其理论描述了超距作用、却未能解释其机制一事感到不安。该理论还存在一个已知的观测难题：即使计入其他行星的引力影响，水星轨道的近日点进动仍比牛顿力学的预测每世纪多出约43角秒。
广义相对论
爱因斯坦于1915年完成了广义相对论。这一理论以等效原理为基础：在局部范围内，引力效应与加速效应无法区分。根据该理论，质量和能量使时空弯曲，自由下落的物体沿着弯曲几何中尽可能“直”的路径（即测地线）运动。爱因斯坦场方程将时空曲率与物质和能量的分布联系起来。在弱场、低速条件下，该理论退化为牛顿定律。
广义相对论解释了水星近日点的反常进动。它还预言引力会使光发生偏折，这一预言在1919年日食期间由阿瑟·爱丁顿的观测队证实。该理论的其他预言还包括引力红移和引力时间膨胀：在引力场中越深处，时钟走得越慢，全球定位系统（GPS）的卫星必须对这一效应进行修正。引力透镜现象指大质量天体使更远处光源发出的光发生偏折，如今已成为天文学的常规观测手段。
黑洞与引力波
该理论预言了黑洞的存在。黑洞是时空极度弯曲的区域，事件视界以内的任何东西，甚至连光，都无法逃逸。2019年，事件视界望远镜发布了首张黑洞阴影图像，拍摄对象是位于M87星系中心的黑洞。
广义相对论还预言了引力波，即以光速传播的时空涟漪。2015年9月14日，激光干涉引力波天文台（LIGO）分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两台探测器记录到信号GW150914。LIGO与Virgo合作组于2016年2月11日宣布了这一发现。这次引力波来自两个质量约为29倍和36倍太阳质量的黑洞的并合。这是人类首次直接探测到引力波，引力波天文学由此诞生。雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什因这一发现荣获2017年诺贝尔物理学奖。
宇宙学中的引力
在宇宙学中，引力是形成大尺度结构的主要作用力。将广义相对论应用于整个宇宙，可以得到膨胀宇宙模型，这正是大爆炸模型的基础。有两类观测结果与“宇宙仅由可见物质构成”的设想不符：星系的自转速度超出其可见物质所能解释的范围，星系团对光的偏折也比预期更强。大多数研究者将这些效应归因于暗物质，也有人转而提出修正引力理论。自1998年起，观测表明宇宙正在加速膨胀。这一现象通常归因于暗能量，可以用爱因斯坦方程中的宇宙学常数来表示。
未解问题
广义相对论无法纳入量子力学的框架。粒子物理学的标准模型成功地将另外三种相互作用描述为量子场，却未能涵盖引力。构建量子引力理论的尝试包括弦理论和圈量子引力等，其中一些理论提出了一种假想的传递粒子，称为引力子。迄今为止，尚无任何实验证实这些方案。这一问题对于理解黑洞内部的奇点和宇宙最初的时刻尤为关键，因为在这些情形下，量子效应和强引力都不可忽略。其他活跃的研究方向还包括更精确地测量 G、检验等效原理，以及在极短距离上寻找偏离平方反比定律的迹象。
参考来源
- Search for New Physics with Atoms and Moleculesarxiv.org
- All of the CODATA recommended values of G.researchgate.net
- Precision measurement of the Newtonian gravitational constantacademic.oup.com
- Gravitational Wave Astronomy: Delivering on the Promisesarxiv.org
- When spacetime vibrates: An introduction to gravitational wavesarxiv.org
- First observation of gravitational wavesen.wikipedia.org
- GW150914 Press Releaseligo.caltech.edu