为什么引力会导致空间弯曲？

这是大多数朋友的理解，但其实引力和空间弯曲都是一个现象的两种不同说法，爱因斯坦的广义相对论告诉我们，时空是一个不可分割的整体，所以我们在解释“引力”与空间之间的关系时必须要和时空一起说明，否则这个观点就是不完整的。

一、人类对于时空的理解

古希腊哲学家亚里士多德认为，自然界不存在所谓的“绝对真空”，他认为空间总是伴随着物质以及运动的存在！这是人类对于空间最早的理解，尽管没有确切证据支持，但这个理解是超前的！

到了17世纪，艾萨克·牛顿建立三大运动定律，并且在哥白尼的日心说以及开普勒行星三大定律等的基础上，总结出了万有引力定律，开创了经典力学理论，开启了“绝对时间”和“绝对空间”的概念，也就是各位所熟悉的“绝对时空观”，牛顿经典力学认为，空间只是一个容器是独立存在的，而时间在宇宙的每个角落都一样，非常符合大众对于空间和时间的理解。

牛顿力学对于低速运动的描述以及现代科学体系的建立无疑充当了领路人的角色，因此牛顿的绝对时空观统治了科学界超过200年。但我们现在知道这个绝对时空观是不正确的，因为无论是支持绝对时空观的“以太”假设，还是水星进动等，都给绝对时空观当头一棒！1905年发表的狭义相对论认为时间与空间跟物体运行的速度有关。

而在1916年爱因斯坦发表的广义相对论出现将物理学家们从水深火热中解救了出来，广义相对论认为，引力是质量在时空中的表现，它在弯曲空间的同时也改变了时间。在质量体周围的时空存在的是空间与时间的梯度。

在质量周围的不同位置，空间的弯曲程度和时间的改变程度是不一样的，这个关系可以用如下公式来表示。

G为万有引力常数，M为质心的质量，r为距离质心的距离，c为光速。当然公式记忆起来非常枯燥无味，其实我们根本无需这样去死记硬背，只要记住美国物理学家惠勒对广义相对论的经典总结即可“质量告诉时空如何弯曲，而时空弯曲告诉质量如何运动”！

二、质量来自何方？

广义相对论解释了质量为什么能弯曲时空，也就是各位形容的引力弯曲时空，但却没有解决一个本质问题，质量是从哪里来的？可能很多朋友会马上向大一个等式，就是质能方程：

质能等价，听上去似乎是这样，那么是能量扭曲空间吗？似乎更掉进了一个死胡同，我们还是得回到事物的本质上来！看起来爱因斯坦的相对论已经有所局限，也许我们要从量子力学中去寻找答案。

量子力学发展到现在，我们已经站在了揭示物质本质的前夜，我们知道了组成物质的费米子，比如各种夸克和电子以及中微子等都是费米子，和将这些费米子粘合起来的玻色子，比如光子（传递电磁力），胶子（传递强作用力）和弱力（W玻色子和Z玻色子）

传递引力的引力子到现在为止我们没有找到，但广义相对论中已经定义了传递引力的方式，我们不妨暂且就信了广义相对论。似乎物质世界已经齐备了吗？完全不是，因为还有一个曾经预言中亚原子粒质量生成机制的粒子，后来在2012年7月4日欧洲强子对撞机中找到了传说中的希格斯玻色子。

上世纪六十年代，物理学家提出一种利用自发对称性来赋予基本粒子质量，但同时又不会与规范场论冲突。物理力学家们假设宇宙中遍布希格斯场，这种粒子可以与基本粒子相互作用，利用自发对称性破缺使基本粒子获得质量。

希格斯玻色子是希格斯场的量子激发，根据机制基本粒子与希格斯场耦合获得质量。从希格斯场理论诞生到2012年欧洲强子对撞机找到希格斯玻色子，整整过去了将近半个世纪，希格斯玻色子质量为：126.5GeV（5个标准差），具有零自旋与偶宇称，与预言中的基本特性一致，但仍然存在部分与理论预测不相符的结果。

建设中的CEPC

正在建设中的CEPC（高能环形电子对撞机）可以将LHC的发现的希格斯玻色子测量精度提高10倍，达到1%左右，也许能解开标准模型中给基本粒子带来质量的希格斯玻色子更多的秘密。

三、传递引力的是什么介质？

广义相对论认为引力是质量在时空中的表现，在弯曲时空中运行就是引力的直观体现，量子力学认为是引力子在传递两者之间的关系，而且也找到了希格斯玻色子这个赋予基本粒子质量的粒子，但对于引力子也无能为力！

弦理论却对引力有一番解释

弦理论认为基本粒子都是由弦的振动形成，弦的不同振动状态对应着不同的基本粒子。弦的状态有两种，一种如扁面条一样的开弦，另一种则是犹如弹簧一样的闭弦，弦理论认为，传递电磁力的光子是由开弦的横向振动形成，而引力的传递方式有两种：

在“开弦”之间，通过交换“闭弦”传递引力

在“闭弦”之间，通过交换“闭弦”传递引力

弦理论试图将物质以及空间与时间统一起来，而且弦理论对于空间维度的描述是令人震惊的，但到现在为止我们仍然无法证实这些猜测，但时间也许会我们答案。

按照广义相对论的诠释，引力并不存在，引力的本质是时空弯曲，也可以认为引力是时空弯曲的表象，并不是引力导致了时空弯曲，恰恰相反，时空弯曲导致了引力！

牛顿创建了万有引力定律，让我们明白引力无处不在，但牛顿并没有解释引力形成的机制，也就是万物之间为何会有引力。这个问题留给了伟大的爱因斯坦，他用广义相对论诠释了引力的本质，同时也是具有颠覆性的诠释！

牛顿认为引力是一种超距作用，发生作用不需要时间，是瞬间传递的。而广义相对论认为引力传递也是需要时间的，引力的速度就是光速。广义相对论的观点在最近几十年不断地得到验证，也成为了现代物理学的基石，尤其是在宏观领域，相对论完全占据统治地位，可以说统治了宏观世界！

为何广义相对论如此被科学界接受？因为万有引力能解释的，广义相对论也能解释。而万有引力不能解释的，广义相对论同样能解释，为何不被接受呢？

那么，既然引力只是表象，本质上是时空弯曲，为何科学家仍旧用引力来描述我们的世界呢？

很简单，万有引力是广义相对论的近似值和特例，虽然如此，由于我们生活在低速低引力世界，万有引力已经足够精确了，而广义相对论公式又很复杂，我们没有必要用到，如果刻意追求精确就是要用广义相对论，反而会更麻烦。比如发射火箭卫星时，科学家们不会用广义相对论，仍旧会用万有引力。这就好像生活中我们用到圆周率时，3.14已经足够用了，已经很精确的，完全没有必要非得用到圆周率小数点后上万位，那不是自寻烦恼吗？

那么，物质时如何影响时空结构的呢？一个动图说明了一切：

总结就是：物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动！