（1）苹果带来的经典理论
古希腊哲学家在许多领域的天才思想至今仍未被超越，但他们对引力却所知甚少。亚里士多德（Aristotle）相信每个物体都有其在宇宙中的“自然位置”。最底层是陆地及其所有的直接附着物，在这上面是水，然后是空气，最后是最轻的元素火。一个因受力而离开其自然位置的物体总是要返回到它原来的位置上的，因此，被抛射到空气中的箭或石块总是会落回地面。亚里士多德还进一步断言，物体的运动都沿直线进行，由弓射出的箭将沿直线向上运动，当弓所提供的力停止作用时，箭就又沿直线落回地面。
在20个世纪里几乎没有人对古希腊哲学家的理论表示过怀疑，尽管日常生活提供了反面的证据：箭的运动轨迹并不是一条直线，而是一条曲线即抛物线。只有一个人，即6世纪时生活在亚历山大城的约翰·菲罗帕纳斯（John Philoponus），敢于提出惯性原理，向亚里士多德的思想挑战。
伽利略（Galileo）是对引力进行严格的科学考察的第一人。他做了一系列实验，包括让各种不同的物体从比萨斜塔上落下以及让不同大小的球沿斜面滚下。1638年，他发现了引力的最基本的性质：在其作用下的所有物体都得到同样的加速，与物体的质量或化学成分无关。
伽利略的工作以其对物理现象的仔细观察和深刻的科学推理而著称。他的结果显然与亚里士多德对世界的认识相反。在研究一个物理现象时，我们必须分离出所有那些使我们的日常经验复杂化的外部因素。为了从对在空气中下落的物体的观察而推导出支配真空中物体自由下落的普遍规律，伽利略必须首先理解摩擦力和空气阻力，因为正是这些与物体的大小和质量有关的“寄生”效应掩盖了引力的真正作用（如果像某些历史学家所认为的那样，伽利略事实上并没有从比萨斜塔上抛出物体，那么他由一连串的抽象推理而得出自己理论的能力应当受到更高的赞誉）。
伊萨克·牛顿也是一个直觉的天才、有分析的天才。按照广泛流传的说法，1666年的一个月夜，当一只苹果从树上落下时，伊萨克·牛顿（IsaacNewton）正坐在那棵树下沉思。他突然意识到，由于同一种吸引的力量即地球引力，月亮和苹果都会朝地球下落。他计算出，两个物体之间的引力随它们距离的平方反比例减小，距离加倍，则引力减小4倍。月亮与地心的距离（384000公里）是苹果与地心距离（6400公里）的60倍，所以月亮下落的加速度比苹果小60×60=3600倍。然后他运用伽利略的自由落体定律，即下落距离正比于加速度，也正比于时间的平方，于是得出苹果在1秒钟内下落的距离与月亮在1分钟内下落的距离相等。月亮的真实运动是已知的，牛顿所估计的距离与之相符。他所发现的正是万有引力定律。
（2）不可见世界的两位先知
18世纪末，约翰·米切尔（JohnMichell）牧师和皮尔·西蒙·拉普拉斯把光速有限的认识与牛顿的逃逸速度概念结合起来，从而发现了引力的最富魅力的结果：黑洞。
逃逸速度的概念是人们很熟悉的。一个人无论用多大力向空中扔出石块，石块终将落回地面，这使人感到引力似乎不可抗拒。然而，我们还是要问，引力能够对物质束缚到什么程度？如果不是由地球上而是由火星的一颗小卫星上（比如说火卫一）抛出石块，情形就完全不同。火卫一的引力是如此之小，一个人的臂力就足以把石块抛到绕它运转的轨道上，甚至可以把石块抛到围绕火星的轨道上，而火卫一距离火星约有9000公里。
让我们仍回到地球上来。地球的引力可以由一个又深又宽的开口井来表示。抛射物体只有速度足够高才能逃离地球。为了把一颗卫星送入轨道，火箭发射器必须到达一定的高度，然后转到与地面平行的方向，再加速到至少每秒8公里的速度，这个速度所对应的离心力（朝向外空）才能与引力（朝向地心）相平衡。
有一种叫作飞车走壁的危险表演，摩托车手驾车在陡峭的斜壁上奔驰，随着车速增大，车子也沿着斜壁升高。一颗轨道上的卫星很像这里的飞车，它也在引力井的壁上运转。
如果摩托车手进一步把车速增大到另一个临界值以上，他就会飞出斜壁。同样，如果火箭的速度足够大，它也能摆脱地球的吸引。这个临界速度对一块石头或一枚火箭来说都是一样的，它就叫逃逸速度。就地球而言，它是11.2公里/秒，对其他任何一个行星、恒星或别的天体，也很容易算出其大小。这个速度只取决于那个提供引力的星球的性质，而与被抛射的物体无关。星球的质量越大，逃逸速度也越大；质量一定时，逃逸速度则随星球半径的减小而增大。
这就是说，一个星球的密度越大也就是越致密，它的引力井就越深，要逃脱它的束缚显然就越困难。火卫一的逃逸速度只有5米/秒，月亮的是2.4公里/秒，而太阳的是620公里/秒。对于更致密的星球，例如白矮星，这个速度高达每秒数千公里。
关于黑洞的思想正是来自于把简单的逃逸速度概念推向极端。自1676年奥拉斯·雷默（OlsusRoemer）对木星、卫星的运动进行观测以来，已经知道光的速度大约是300000公里/秒。于是就很容易想象出这样一种星球的存在，其质量是如此之大，以至于从其表面逃逸的速度大于光速。
约翰·米切尔在一篇于1783年的英国皇家学会会议上宣读并随后发表的《哲学学报》的论文中写道：“如果一个星球的密度与太阳相同而半径为太阳的500倍，那么一个从很高处朝该星球下落的物体到达星球表面时的速度将超过光速。所以，假定光也像其他物体一样被与惯性力成正比的力所吸引，所有从这个星球发射的光将被星球自身的引力拉回来。”此后不久，数学家、天文学家、天体力学王子皮尔·西蒙·拉普拉斯于1796年在他的《宇宙体系论》中也作了类似的陈述。
除了超前一个多世纪料想到光能被引力捕获外，拉普拉斯和米切尔还猜想到巨大的暗天体可能像恒星一样众多。在20世纪末，这科学巨变的时期，暗物质的存在正是宇宙学中最重要的课题之一。宇宙总质量的相当大一部分很可能是看不见的。对这些不可见星球（直到1968年才命名为“黑洞”）的详细研究需要一种比牛顿理论更精确的引力理论。爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在，其“大小”恰与米切尔和拉普拉斯猜想的一样。
但是，严格说来，这两个理论在不可见星球的大小上的一致只是表面上的。按照牛顿理论，即使逃逸速度远大于300000公里/秒，光仍然可以从星球表面射出到一定高度，然后再返回（正如我们总能把一只球从地面往上抛出）。而在广义相对论里来讲逃逸速度就是不正确的了，因为光根本不可能离开黑洞表面。黑洞的表面就像一只由光线织成的网，光线贴着表面环绕运行，但决不能逃出来。如果黑洞在自转，则捕获光的那个面与黑洞自身的表面是不相同的。借助于逃逸速度来描述黑洞，虽然有着重要的历史价值和启发作用，却是过于简单了。
直至广义相对论建立为止，米切尔和拉普拉斯的思想被人们完全遗忘了。这一方面是因为没有什么迹象表明宇宙中存在如此致密的物质（当然，不可见性本身是一个好理由）；另一方面，他们的思想是建立在牛顿关于光本性的微粒说基础上的，即光微粒也像通常物质一样服从引力定律。而在整个19世纪，光的波动说占据了统治地位。按照这种理论，光是一种振动在媒质中的传播，光波是不受引力影响的，米切尔和拉普拉斯的思想因而失效。
（3）导致20世纪的两大物理理论产生的两个
简单问题行星的运动之所以能被计算出来，是因为我们知道物体之间的相互吸引力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比。然而这里还有许多更深刻的问题尚未回答，比如引力的本质，它如何由物质产生，又如何作用到被真空隔离的物体上。
牛顿的引力不像马拉车的力那样通过直接接触来传递。一个物体产生的引力能作用到远处的另一物体，这种不需要媒质而瞬时作用的力的概念，是雷纳·笛卡儿（Rene Descartes）于1644年在其《哲学原理》（Principesdelaphilosophie）中所阐述的，并难以被机械宇宙观所接受。牛顿本人是一个忠实的机械论者，他把自己的定律看作只是一种能计算物体运动的数学工具，而不是一种物理真实。他曾说过，想象引力能瞬时地和超距地作用是荒谬的，是没有一个真正的哲学家能接受的。拉普拉斯曾试图通过考虑引力以有限速度传播来修改牛顿理论，他的推理在原则上是正确的（自爱因斯坦以后，我们知道引力是以光速传播），但在实际上是错误的：他算出引力的传播速度必定是光速的700万倍。
19世纪，同样的超距作用问题重新出现在研究电的学者面前。与引力相似，两个物体间的电力也与它们电荷的乘积成正比（引力是与两物体质量的乘积成正比），与它们距离的平方成反比。尽管物理学家最后还是接受了（没有更好的办法）引力的超距作用，但是，他们却拒不接受电力也是如此。
于是，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了场的概念。场能够作为物体间相互作用的媒介，并以有限速度传播。不是两个电荷在真空中通过瞬时力相互吸引或排斥，而是每一个电荷都在其周围产生一个“电场”，其强度随距离增大而减小。每个电荷所受的力都归结为两个场的相互作用。那么，引力也能以同样方式来描述：一个物体产生的引力场作用于所有其他物体。
这决不只是一种描述词语的简单改变。场的根本优越性在于，它把瞬时超距作用代之以需要时间来传播并随空间距离增大而减弱的作用。场论，这经典物理的光辉顶峰，看似毁坏了牛顿物理的根基，实则开辟了通向电磁学，然后是相对论的道路。
麦克斯韦的理论统一了电和磁，看似简化了物理学，实则使问题更为复杂，因为它使伽利略和牛顿的宇宙图像顿起祸端。通过对电磁场的仔细的理论和实验研究，立即提出了两个简单的问题，这两个问题最终导致了20世纪的两大理论物理成果：量子力学和相对论。
第一个问题是，辐射的本质究竟是什么？麦克斯韦的理论把电磁辐射纯粹作为波来处理，但是辐射可转移能量和动量的能力强烈地显示出其粒子性。到19世纪末，已有一系列实验提供了辐射的不连续性的证据。
在两个世纪之交，马克斯·普朗克（Max Planck）提出了一个假设，即电磁波（尤其是光）只能以一种能量包，即所谓量子的形式被发射或吸引。然而直到1905年，爱因斯坦才首先把光量子看作真实的存在，现在称为光子。为解释光电效应，也就是金属板被足够高频率的光照射时发出电子的现象，爱因斯坦假定辐射是由其能量与频率成正比的真实粒子组成，这些粒子把能量传给金属中的电子，从而使电子射出。爱因斯坦复活了牛顿的光的微粒论，这个理论曾被拉普拉斯用来推测巨大的暗星球对光的捕获。力学与电磁学之间的明显对立直至20年后，即量子力学指出所有物质和辐射都具有波粒二象性时，才得以消除。
第二个问题是，电磁波在什么媒质中传播？正是这个问题导致了对时空结构的探索，从而产生了相对论。
（4）爱因斯坦与等效原理
爱因斯坦在1905年既复活了光的微粒说，又维护了麦克斯韦电磁理论的正确性，但是他却陷入了进退维谷的境地。关于辐射的这两个概念是相互矛盾的：如果光是由粒子组成，那么按照万有引力定律，它就会受别的物质影响，如果真是这样，光速又怎能如狭义相对论要求的那样是绝对恒量呢？
这个矛盾当然应归根于引力。引力在宇宙中无处不在，并使所有物质加速，而狭义相对论的惯性系是严格地没有加速度的。爱因斯坦很清楚这个，他认识到，要使引力能与狭义相对论的电磁时空相协调，首先必须重新理解“力”的概念本身。
牛顿万有引力定律要求一切物体都具有一种称为引力质量的内在属性，用以量度每个物体所能产生的引力。此外，牛顿还用三个基本定律概括了物体在任何力（引力或别的力）作用下的行为。第一定律简单地说就是笛卡儿的惯性原理：不受力的物体保持静止或作匀速直线运动；第二定律规定使一个物体加速的力与物体的加速度和质量都成正比（即人们熟知的公式F=ma）；第三定律陈述作用与反作用的平等性：每一个力（例如人推墙的力）都伴之以一个大小相等、方向相反的力（墙也推人）。
所以，牛顿的力是使物体偏离其惯性运动的原因。物体总是反抗对其惯性状态的改变，这种反抗由其惯性质量来量度。按照这个思路，万有引力同其他任何力一样，也是一种力，而引力质量之于引力恰如电荷之于电力。我们知道，惯性质量相同而带电荷不同的物体在同一电场中受到不同的加速，因而在牛顿理论中就没有理由认为引力质量和惯性质量必定相等。
但是，伽利略和牛顿所观察到的引力的基本性质，正是地心引力同样地加速所有物体，而与物体的惯性质量或引力质量、体积以及化学性质都无关。一片羽毛、一个分子或是一块砖，在地球表面附近释放后都同样具有9.8米/秒2的加速度（也就是说，假如没有空气阻力，它们的速度每秒钟都增加9.8米/秒，在第一秒末是9.8米/秒，在第二秒末是19.6米/秒，等等。这个恒定的加速度正是地球表面的引力加速度）。
这意味着，不仅根本不存在“引力中性”的物体，而且所有物体都具有完全一样的相应引力荷。这只有在引力质量与惯性质量严格相等时才可能。这种相等性于是被接受为一条公理，称为等效原理。
这种相等起初被认为只是近似的，后来却经受住了整个科学史上最高精度的验证。匈牙利男爵罗兰·万·厄缶先在1889年，后又在1922年对等效原理作了验证，精度达十亿分之一。现在，检验精度已经提高了1000倍。由于一个物体中的所有能量都对惯性质量有贡献（把电子和核束缚在原子中的电磁能就很显然），我们就能得出结论：所有能量都有重量，甚至是光也有重量。
爱因斯坦意识到，等效原理是理解引力的关键。引力与电磁力大不相同，包括进引力，将给狭义相对论带来实质性的扩充。让我们来进一步考虑等效原理的物理意义。
在爱因斯坦看来，引力质量与惯性的等效只是一个更强得多的等效性的弱形式，而强等效性是把均匀引力和加速统一起来。爱因斯坦指出：
①任何加速都相当于引力。一个坐在加速度与地心引力（g=9.8/秒2）相等的飞船里的人感觉不出来与站在地面上有什么区别。
②引力的作用可以通过选择一个适当的加速参考系来消除。他的著名例子是一架突然断了缆绳的电梯，电梯中的人将觉得失重，与在太空中已脱离地球引力的人的感觉一样。
我们在这里看到引力与自然界所有其他的力（如电力）之间的巨大差异。不可能用加速来冒充电力，因为一个电场中的物体并不受到同样的加速，加速度与物体的电荷有关。准确地说，引力实际上不是一种作用于时空中的不同物体之间的力，而是时空自身的一种性质。
引力对人们早已熟悉的时空结构摧毁性地入侵的结果，就是广义相对论。
物理学的自洽性要求一种相对性，即要求参考系中的物理规律能取相同的形式。在这个意义上，广义相对论可说是推翻了狭义相对论。狭义相对论里的参考系都以恒定速度运动，不受力，没有加速度。时空连续体是一种平坦的不毛之地，没有任何局部特征，这种空虚性保证了位置和速度的相对性。但在引力存在的情况下，所有参考系都受到加速。因此在广义相对论中没有惯性参考系。时空连续体变得坑洼不平，而位置和速度只能相对于这样的时空来确定。所有的参考系，无论是不是惯性系，只要我们知道如何从一个参考系正确地过渡到另一个，就能用来描述自然定律。从这个意义上讲，爱因斯坦引力理论的名称是取错了，因为广义相对论的相对性比狭义相对论是减小了。
由于一个均匀引力场能由一个加速来消除或代替，并且反之亦然，一个在这个场中下落的物体就不受任何力（人之没有落向地心是因为他脚下地面压力的阻挡）。恒定引力场中的自由下落因而就是物体的“自然”运动。对宇宙中任何一个足够小的区域而言，引力的变化不大，则自由下落运动定义出一个局域惯性参考系，其中的物理定律取其最简单的形式，即由狭义相对论所给出的形式。狭义相对论并没有被完全抛弃，它是被包括到一个更广泛的理论中，而保持在一定范围内的适用性。
