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如果质量会弯曲时空,当质量消失时,时空又如何恢复平坦?天纯被芯资讯栏目
如果质量会弯曲时空,当质量消失时,时空又如何恢复平坦?

物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动。这是爱因斯坦广义相对论背后的基本原理,它第一次把引力现象与时空和相对论现象联系在一起。在宇宙的任何地方放置一个质量体,它周围的时空将会弯曲。但是如果把这个质量体拿走,那是什么导致了弯曲的时空快速恢复到原来未弯曲的状态?为什么时空不会保持弯曲的状态?

在爱因斯坦出现之前的几百年里,牛顿的万有引力定律是最好的引力理论。根据牛顿引力理论,宇宙中的任何两个质量,无论它们在哪里,或者它们相距多远,都会通过引力瞬间相互吸引。质量越大,引力就越大;距离越远,这个力就越小。这将适用于宇宙中的所有天体,牛顿对引力的描述完全符合当时的天文观测。

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万有引力定律

但牛顿引力理论引入了一个观点,即超距作用,这是很多物理学家都无法接受的地方。相隔一半宇宙距离的两个物体如何能突然间互相施加一个力?笛卡尔无法接受它,而是构想了另一个概念,即有一个引力穿过的媒介。他认为,空间里充满了一种物质,当一个质量体穿过它时,就取代了那个物质,产生了漩涡,这是早期版本的以太。

当然,笛卡尔的构想是错误的。当广义相对论出现时,它改变了我们对宇宙的认识,比如(1)空间和时间在所有地方不是绝对一样的,对以不同速度和在不同引力场中的观察者来说是不一样的;(2)引力不是瞬时的,而是以光速传播;(3)引力不是由质量和距离直接决定的,而是由空间曲率决定,空间本身是由整个宇宙的物质和能量组成的。

按照广义相对论对引力的描述,如果太阳突然从宇宙中消失,我们不会马上知道。地球不会立即沿着切线方向飞出去,它会继续绕着太阳运动8.3分钟。因为不是质量决定引力,而是空间曲率,也就是以空间中所有物质和能量的总和决定的。

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地球沿着太阳周围的弯曲时空运动

如果把太阳移走,空间就会从弯曲变成平坦,但这种转变不是瞬间发生的。因为时空是一种结构,这种转变必须发生某种突然运动,这将会产生非常大的涟漪——引力波,它会穿过宇宙,就像池塘里的涟漪一样向外传播。

这些涟漪的速度和相对论中任何物体的速度一样,由它们的能量和质量决定。引力波无质量,但有一个有限的能量,所以它们一定以光速运动。这意味着,地球并不是直接被当前空间中的太阳位置所吸引,而是8.3分钟前太阳所在的地方吸引。

这很奇怪,而且可能是个问题。如果根据牛顿引力理论,地球被8.3分钟前的太阳位置所吸引,那么地球的轨道就不符合观测结果。然而,广义相对论提供了另一种不同的解释,这里还需要考虑到地球绕着太阳旋转的轨道速度。

例如,地球因为也在移动,就像乘着穿越太空的涟漪一样,从一个地方升起到一个不同的地方降落下来。在广义相对论中,有两种新的效应使这个理论与牛顿截然不同,(1)每个物体的速度影响着它感受到的引力;(2)以及在引力场中发生的变化。

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引力波

如果想要计算空间中任意点的时空曲率,可以利用广义相对论,但需要知道它在宇宙中的位置、大小和所有质量分布。此外,还需知道:(1)这些质量是如何移动的以及随时间如何移动?(2)所有形式的能量是如何分布的?(3)被观察/测量的物体是如何在一个变化的引力场中运动的?(4)空间曲率随时间如何变化?

在具有这些额外的信息后,才能计算出时空中某个特定位置的空间是如何弯曲的。

然而,这种弯曲和不弯曲是有一个损失的,尽管很小,但可以进行测试。牛顿引力理论认为,地球环绕太阳的轨道是一个闭合的椭圆轨道,但广义相对论预言,这个椭圆轨道应该随着时间的推移而进动,并且轨道应该会慢慢地衰减。只是这种效应十分微弱,所需的时间可能比宇宙的年龄要长得多。

在2016年直接探测到引力波之前,这是天文学家测量引力速度的主要方法。不过,不是通过地球测量出来的,而是一种轨道变化很容易被观测到的极端系统,即至少包含一个颗中子星的密近轨道系统。

如果质量会弯曲时空,当质量消失时,时空又如何恢复平坦?

双中子星系统

一个具有快速变化速度的巨大天体通过一个不断变化的强引力场时,会出现最为显著的效应。这就是双中子星系统所展现出来的现象,当这些中子星的一个或两个在轨道上运行时,它们就会产生脉冲,每一次中子星的极点经过我们视线时就能看见脉冲。爱因斯坦引力理论的预测对光速非常灵敏,在20世纪80年代发现的第一个脉冲双星系统中就测出,引力速度接近等于光速,测量误差只有0.2%。

基于此,可以很好地证实广义相对论,并排除牛顿引力理论以及其他引力理论。但是并不需要一种机制来解释一个质量被移除时,为什么空间不是弯曲的,因为广义相对论本身就是解释。一个在不断变化的引力场中加速运动的质量将会辐射能量,而辐射的能量是一种穿过空间结构的涟漪,即引力波。如果没有物质或能量,就没有什么可以维持空间曲率。空间恢复到不弯曲的状态是自然发生的,在此期间将会辐射出引力波。

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