重力（英文名：Gravity）是地表物體所受地球的萬有引力與慣性離心力的合力稱為“表觀重力”，常簡稱“重力”，是力學的基本概念之一。重力的來源是地球引力，它在地球表面不同位置的大小略有差異，其為地球表面物體重量的來源。現代物理學中，引力現象一般由廣義相對論來精確描述，認為引力反映了物體的慣性在彎曲時空中的表現。而經典力學中的牛頓萬有引力定律則是對重力在通常物理條件下的極好的近似描述。
地球上的重力對于維持大氣層、負責水循環、保持穩定和植物生長有重要影響。重力還可以幫助了解地球內部結構、地質特征和地殼演化。
重力定義
重力指地表物體所受地球的萬有引力與慣性離心力的合力稱為“表觀重力”，常簡稱“重力”。
重力源于地球引力，是物體隨地球轉動時所受引力與向心力的矢量差。它并非地球引力本身，方向總是豎直向下。
重力是力學中最重要、最基本的概念之一。但是，國內外各種課本及參考書對重力概念的定義不盡一致，基本上是以下4類：
以上這幾類定義有著共同的缺陷 ：
重力理論史
古代世界
在古代，眾多學者對重力的性質和原理進行了深入探討。古希臘地區的亞里士多德（Aristotle）認為，物體之所以向地球墜落，是因為地球位于宇宙的中心，并吸引著宇宙內的所有質量。他的觀點是，物體墜落的速度會隨著其重量的增加而加快，然而這一結論后來被證實是錯誤的。盡管亞里士多德的觀點在古希臘廣泛傳播并被接受，但仍有其他思想家，如普魯塔克，正確地預見到引力作用并非地球所特有。
盡管古希臘哲學家阿基米德（Archimedes）并未將重力視為一種力，但他成功地發現了三角形的重心。他還提出了一個假設，即如果兩個相等的重物具有不同的重心，那么這兩個重物的重心將位于連接它們重心的線的中點。在阿基米德之后的兩個世紀，羅馬工程師和建筑師馬可·維特魯威在其著作《建筑設計》中提出，重力并非取決于物質的重量，而是取決于其“性質”。公元6世紀，拜占庭亞歷山大學者約翰·菲羅波努斯（John Philoponus）提出了動力理論，這一理論對亞里士多德的觀點進行了修正。他引入了隨時間遞減的因果力概念，以解釋“運動的持續取決于力的持續作用”。公元七世紀，印度數學家和天文學家梵天多（Brahmagupta）提出引力是一種將物體吸引到地球上的吸引力的觀點，并使用了gurutvākar?a? 一詞來描述它。在古代中東，引力是一個激烈爭論的話題。波斯知識分子比魯尼(Al-Biruni)認為引力并非地球獨有，他正確地認為其他天體也應該施加引力。哈齊尼(Al-Khazini)的立場與亞里士多德相同，即宇宙中的所有物質都被吸引到地球的中心。
近代研究
16世紀中葉，許多歐洲科學家通過實驗推翻了亞里士多德的觀點，即較重的物體以更快的速度下落。西班牙多米尼加共和國牧師多明戈·德·索托（Domingo de Soto）在1551年發表論文，聲稱自由落體的物體會均勻加速。德索托可能受到了意大利其他多米尼加牧師早期進行的實驗的影響，包括貝內德托·瓦爾奇、弗朗切斯科·比托、盧卡·吉尼和喬萬·貝拉索的實驗，這些實驗與亞里士多德關于身體墜落的教言相矛盾。16世紀中期，意大利物理學家詹巴蒂斯塔·貝內代蒂（Giambattista Benedetti）發表論文，聲稱由于比重的原因，由相同材料但質量不同的物體會以相同的速度下落。在1586年的代爾夫特塔實驗中，佛蘭德物理學家西蒙·斯特文（Simon Stevin）觀察到，兩枚大小和重量不同的炮彈從塔上落下時以相同的速度落下。最后，在16世紀末，伽利略·伽利萊Galileo Galilei）對向下滾動的球進行了仔細的測量，這使他能夠堅定地確定所有物體的重力加速度都是相同的。伽利略假設，空氣阻力是低密度、高表面積物體在大氣中下落較慢的原因。1604年，伽利略提出：下落物體的距離與經過的時間的平方成正比。后來在1640年至1650年間，意大利科學家耶穌會士格里馬爾迪和里奇奧利證實了這一點。他們還通過測量鐘擺的振蕩來計算地球引力的大小。
萬有引力理論
1684年，艾薩克·牛頓（Newton）向埃德蒙德·哈雷（Edmond Halley）寄了一份手稿，題為《論軌道上物體的運動》（De motu corporum in gyrum），為約翰尼斯·開普勒的行星運動定律提供了物理依據。哈雷對這份手稿印象深刻，并敦促牛頓對其進行擴展。1687年，牛頓出版了一本名為《自然哲學的數學原理》(Mathematical Principles of Natural Philosophy)的開創性著作。在這本書中，牛頓將引力描述為一種普遍的力，并聲稱“使行星保持在其球體中的力必須是它們與旋轉中心距離的平方。”這一說法后來被濃縮為平方反比定律。牛頓的萬有引力定律迅速傳遍了歐洲世界。一個多世紀后的1821年，他的萬有引力理論被用來預測海王星的存在。法國天文學家亞歷克西斯·布瓦德（Alexis Bouvard）利用這一理論創建了一個模擬天王星軌道的表格，該表格被證明與天王星的實際軌跡有很大不同。為了解釋這種差異，許多天文學家推測，天王星軌道之外可能有一個大物體正在擾亂其軌道。1846年，天文學家約翰·庫奇·亞當斯（John Couch Adams）和烏爾班·勒維耶（Urbain Le Verrier）獨立地利用牛頓定律預測了海王星在夜空中的位置，并在一天之內在那里發現了這顆行星。
廣義相對論
天文學家注意到水星軌道上的偏心率，無法用艾薩克·牛頓的理論來解釋：軌道的近日點每世紀增加約42.98角秒。對這種差異最明顯的解釋是一個尚未被發現的天體（例如一顆行星繞太陽運行的距離甚至比水星更近），但所有尋找這種天體的努力都被證明是徒勞的。最后，在1915年，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出了廣義相對論，該理論能夠準確地模擬水星的軌道。
在廣義相對論中，引力的影響被歸因于時空曲率，而不是力。愛因斯坦以等效原理的形式描述這一想法。在這一理論中，自由落體被認為等效于慣性運動，這意味著自由落體的慣性物體相對于地面上的非慣性觀測者加速。與牛頓物理學相反，愛因斯坦認為這種加速度有可能在沒有任何力施加到物體上的情況下發生。
愛因斯坦提出時空是被物質彎曲的，自由落體在彎曲的時空中沿著局部直線運動。這些直線被稱為測地線。與牛頓第一運動定律一樣，阿爾伯特·愛因斯坦認為施加在物體上的力會導致物體偏離測地線。例如，因為地球對站在地球表面的人施加了向上的機械阻力，阻止他們遵循著測地線的路徑前進。這就解釋了為什么在時空中沿著測地線移動被認為是慣性的。愛因斯坦對引力的描述能夠解釋以前各種令人困惑的實驗結果，很快被大多數物理學家所接受。在接下來的幾年里，廣泛的實驗為廣義相對論的思想提供了額外的支持。今天，愛因斯坦的相對論被用于所有需要絕對精度的引力計算，盡管牛頓的平方反比定律仍然是一種有用且相當準確的近似。
弦理論
弦理論是20 世紀 60 年代末為描述強力理論而提出的，但被量子色動力學所取代。1974年，科學家提出將弦譜中的無質量自旋兩粒子與引力量子引力子（graviton）聯系起來，這使得弦理論成為量子引力理論最有希望的候選理論。1990 年代中期，科學家發現了無擾動弦律，為基礎理論的唯一性提供了證據。它還導致人們認識到一種 11 維的表現形式，即 M 理論。隨后的理論發展將弦理論、粒子理論和粒子物理學聯系在一起。
萬有理論
萬物理論（TOE）是一個假設的、單一的、包羅萬象的、連貫的物理學理論框架，它充分解釋和連接了宇宙的所有方面。萬物理論可以被定義為一個全面的理論，原則上能夠描述這個宇宙中的所有物理現象。1977年物理學家哈拉爾德-弗里茨奇（Harald Fritzsch）在瓦倫納的演講中使用了萬有理論（Theory of everything）這一術語。1986年物理學家約翰·埃利斯（John Ellis）發表在《自然》雜志上的一篇文章中將萬有理論（Theory of everything）的首字母縮略詞“TOE”引入技術文獻中。在過去的幾個世紀里，已經發展了兩個理論框架：廣義相對論和量子力學，它們在一起接近于萬物理論。但目前，還沒有一個候選理論，能夠同時描述這個宇宙中的所有物理現象。
數學模型
牛頓萬有引力理論
地球引力作用在物體上的力由下式給出：
其中m1和m2是相互作用物體的質量，r是質心之間的距離，G是引力常數，此外，艾薩克·牛頓第二定律F=ma，其中m是質量，a是加速度，比較兩個公式可以得出：。
愛因斯坦場方程
愛因斯坦場方程是一個由 10 個偏微分方程組成的系統，描述物質如何影響時空曲率。該系統通常表示為以下形式：
其中 是阿爾伯特·愛因斯坦張量，是度量張量，是應力-能量張量，是宇宙學常數，被稱為愛因斯坦引力常數。
相關概念
萬有引力
萬有引力是一種基本的相互作用，它導致所有有質量的事物之間的相互吸引。到目前為止，重力是四種基本相互作用中最弱的，大約比強相互作用弱1038倍，比電磁力弱1036 倍，比弱相互作用弱1029 倍。因此，它在次原子粒子水平上沒有顯著影響。 然而，引力是宏觀尺度上物體之間最重要的相互作用，它決定了行星、恒星、星系甚至光的運動。宇宙中原始氣態物質之間的引力導致它合并并形成恒星，最終凝結成星系，因此引力是宇宙中許多大型結構的原因。重力的范圍是無限的，盡管隨著物體越來越遠，它的影響會變弱。在現代物理學中，引力現象一般由廣義相對論來精確描述，認為引力反映了物體的慣性在彎曲時空中的表現。而經典力學中的牛頓萬有引力定律則是對引力在通常物理條件下的極好的近似描述。
引力輻射
根據廣義相對論，時空的曲率由質量的分布決定，而質量的運動則由曲率決定。因此，引力場的變化應該以波的形式從一個地方傳遞到另一個地方，就像電磁場的變化以波的方式傳播一樣。如果作為場源的質量隨時間變化，它們應該以場的曲率波的形式輻射能量。引力輻射非常微弱。曲率的變化將對應一個方向上的膨脹和與該方向成直角的方向上的收縮。在彼此成直角的長路徑的末端設置了自由懸掛的反射器的光學干涉儀。干涉條紋的偏移對應于一個臂的長度的增加和另一個臂長度的減少，這將表明引力波的通過。這樣一個干涉儀，即激光干涉儀引力波天文臺（LIGO），于2015年首次探測到引力輻射。截至2020年，激光干涉儀引力波天文臺已經探測到47次引力輻射，其中44次來自黑洞雙星的合并，兩次是中子星雙星的合并，一次可能是黑洞和中子星的合并。
失重與超重
超重
在地面附近靜止或做勻速直線運動的物體對支持物的壓力等于物體的重量。而在勻加速度上升的升降機中，我們知道物體對地板的壓力大于物體的重量。當存在向上的加速度時，物體對支持物的壓力（或拉力）大于物體所受重力的現象，稱為超重。航天飛機在加速上升或減速下降過程都有一個向上的加速度，這時,航天飛機內的人和物都發生超重現象。這時人感覺到像是受到一個巨大的壓力，身體被緊緊壓在座位上。
失重
當存在向下的加速度時,物體對支持物的壓力（或拉力）小于物體所受重力的現象，稱為失重。在勻加速下降的升降機中，物體對地板的壓力小于物體的重量，這就是失重現象。人造衛星進入軌道，繞地球作圓周運動在地球引力作用下產生—個指向地球中心的向心加速度，其大小等于重力加速度，這時衛星內的人和物都處于完全失重狀態，它們對于支持物的壓力零，出現的現象就像重力完全消失了一樣。在牛頓物理學中，失重不是因為重力加速度為零（從地球上看），而是由于自由落體情況，物體的加速度等效于重力加速度。
重力加速度
重力加速度是物體在真空中自由落體的加速度（因此不會受到阻力），是萬有引力產生的加速度和地球自轉產生的等效離心力的加速度的矢量和。當物體距地面高度遠遠小于地球半徑時，等效離心力相比較小。如果不考慮等效離心力的話，只有萬有引力產生的加速度，則所有物體在真空中以相同的速率加速，無論物體的質量或成分如何。重力加速度以米/平方秒（符號，m/s2 ）或伽（Gal）表示。在解決地球表面附近的問題中，通常將g作為常數，在一般計算中可以取g=9.80米/秒2。這意味著，在不考慮空氣阻力的影響的情況下，物體自由下落的速度將每秒增加約 9.8 米。重力加速度的數值隨平均海拔增大而減小，在離地面高度較大時，重力加速度g數值顯著減小，在近代一些科學技術問題中，需考慮地球自轉的影響，重力加速度g不再是一個常數，而與海拔高度、緯度以及地殼成分、地幔深度密切相關。在地球表面的不同點，自由落體加速度范圍為9.764m/s2至9.834m/s2。
重力加速度方向
重力加速度是一個向量，除了大小之外還有方向，其方向與鉛垂擺動重合。在球形對稱的地球上，重力將直接指向球體的中心。由于地球的圖形略微平坦，因此在重力方向上存在顯著偏差：本質上是大地緯度和地心緯度之間的差異。較小的偏差（稱為垂直偏轉）是由局部質量異常（例如山脈）引起的。
影響因素
地球形狀、緯度、高度、地形、地質和局部差異等因素都會影響重力。地球表面重力變化范圍可達0.05m/s2。高緯度城市的重力差異顯示緯度影響：安克雷奇（9.826 m/s2）、赫爾辛基（9.825 m/s2），比赤道附近的城市吉隆坡（9.776 m/s2）大約0.5%；而海拔影響則可在墨西哥城（9.776m/s2；海拔2240米）和丹佛（9.798m/s2，海拔1616米）等城市的重力差異中顯示。重力加速度隨高度增加而減少，平均海拔從海平面上升到3000米會導致體重下降約1%。，空間站的重力約為地面的89%。地形、地質和深層構造差異導致重力異常。其他因素如氣壓、日月距離變化等也影響重力，例如：日月距地球距離的變化導致重力的日變化量可達3×10-6 m/s2。1901年，第三屆度量衡大會確定了地球表面的標準重力加速度：gn=9.80665 m/s2，它也用于定義千克和磅。
影響
重力在地球上的主要影響常常體現在以下幾個方面：
對環境的影響，例如：大氣層是被重力保持在地球四周的，沒有這層大氣,地球表面將不適于生存；水的蒸發、云的形成、降雨等水循環過程都與重力有關；重力將地殼固定在地球表面上，失重狀態下地殼中的重要礦物將浮離地表。
對物體的影響，例如：我們感受到的物體"重量"其實就是重力的作用。
對生物的影響，例如：重力給出一個絕對的上下方向，樹木向上生長、河水向下流淌都與此有關。重力還維持生物的生長循環，影響細胞的衰老直至死亡。
應用
天平
天平就是基于重力并通過力矩比較的原理來測量物體質量的計量設備。天平通過將待測物體與已知質量的標準砝碼分別放置在天平的兩個平衡臂上，利用敏感元件將作用于天平上的重力轉換為可讀取或記錄的質量數值。在等臂天平中，將待測質量為m的物體置于左側天平盤，而將已知質量也為m的標準砝碼置于右側天平盤。由于物體和砝碼均受到地球引力的作用，因此天平橫梁上會產生兩個力矩。若此時天平橫梁保持水平狀態，根據杠桿平衡原理，可以推斷出橫梁左右兩端的力矩是相等的。
潛水艇
潛水艇的上浮和下沉是靠壓縮空氣調節水艙里水的多少來控制自身的重力而實現的（改變自身重力：排水充水）。若要下沉，可充水，使。在潛水艇浮出海面的過程中，因為排開水的體積減小，所以浮力逐漸減小，當它在海面上行駛時，受到的浮力大小等于潛水艇的重力（漂浮）。
重錘線
由于重力方向指向地球中心，人們就利用鋼絲或弦線懸掛的重錘進行定位。重錘線的方向通常就稱為鉛垂方向。瓦工在砌墻時，常常吊一個重錘作為標準就是常見的應用例子。在早期的飛機型架裝配中，也曾廣泛地利用鋼絲重錘線和張緊的鋼絲來確定構件的位置。在裝調儀器的十字線分劃板時，有時也用重錘線來確定分劃板的方向。
重力儲能
重力儲能是一種機械式的儲能，其儲能介質主要分為水和固體物質，基于高度落差對儲能介質進行升降來實現儲能系統的充放電過程。例如：海水抽儲是在海邊建設上水庫，將海洋作為下水庫，發電時海水通過水泵水輪機組從上庫排往海洋，將海水重力勢能轉化為電能，儲能時將海水抽至上水庫，以海水重力勢能形式存儲。排水型海水抽儲是在海灣修筑水壩，將壩內水庫作為下庫，海洋作為上庫，利用水壩內外海水落差進行儲能和發電。
密度計
測量液體密度的儀器是密度計。密度計是利用它受到的浮力總等于它的重力這一原理來工作的。由于密度計制作好后它的重力就確定了，所以它在不同液體中漂浮時所受到的浮力都相同，根據可知：待測液體的密度越大，密度計浸入液體中的體積則越小，露出部分的體積就越大；反之待測液體密度越小，密度計浸入液體中的體積則越大，露出部分的體積就越小，所以密度計上的刻度值是“上小下大”。
參考資料 >
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Einstein showed Newton was wrong about gravity. Now scientists are coming for Einstein..nbcnews.2023-12-18
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The Weight of Light.physics.2023-12-18
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At Long Last, Gravity Probe B Satellite Proves Einstein Right.science.2023-12-18
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James Oberg's Pioneering Space.jamesoberg.2023-12-19
New ultrahigh-resolution picture of Earth's gravity field.agupubs.2023-12-19
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失重就是“失去重量”嗎?.中國數字科技館.2023-12-18
空氣阻力和重力：你應該知道的 5 個事實！.lambdageeks.2023-12-18
Evolution of the SI.bipm.2023-12-18
新型重力儲能研究綜述.儲能科學與技術.2023-12-26