第30章 时空涟漪

    一块石头被扔进水池里面。

    当他接触到水面的时候，重力对水平面的作用会让平静的水平面产生一段时间的涟漪。

    在四维空间以及更高维度的空间中，光线会受到大质量天体的影响进而发生偏转。

    这便是时空弯曲，也叫弯曲时空。

    第一个提出这一理论的正是爱因斯坦。

    弯曲时空，是指在爱因斯坦的广义相对论中，由于有物质的存在，空间和时间（时空）会发生弯曲，时空弯曲的是质量（能量）造成的结果。

    万有引力是时空弯曲的表现。

    爱因斯坦用太阳所产生的空间弯曲的理论，很好地解释了太阳系中一些行星近日点进动中一直无法解时间差，以及遥远恒星的光线经过太阳时所产生的偏折问题。

    时空弯曲的日常表现是万有引力。

    时空弯曲是质量对时空的扰动导致的。

    因此从本质上来说，时空弯曲取决于质量大小，质量越大导致的时空弯曲就越大。

    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普适的惯性参考系。

    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，无论是惯性系与否，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）。

    我们不妨拿着牛顿第一定律来理解上述话语。

    即物体在匀速直线运动或者是静止的状态下受力平衡。

    其中第一种情况下物体并非不不受力，而是这些力互相抵消了。

    但是在不同的视角下，物体的运动受力状态都不同。

    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，而仍保持在一定范围内的适用性。

    时空是弯曲的，可是这个奇怪而又迷人的陈述究竟是什么意思呢？

    双生子悖论很好地描绘了狭义相对论时空的刚性结构如何使空间和时间由于观测者的运动而各自改变（收缩或延缓）。

    广义相对论则完全变革了我们的宇宙观。

    它断言引力场（物质）会使整个时空变形，物体的大小、长短、距离在光速状态下会统统消失。

    如果在一个给定点上之间的引力效应已被消除（引入局部惯性参考系），我们仍能测量相邻两点之间的微分效应。

    在一个缆绳已断掉的电梯里，两个“自由”物体的轨迹在一级近似上是平行的，但实际上两条轨迹线将在6400公里远处的地心相交。

    因此两轨迹之间就有一个相对加速度（因为它们相互在靠近），对应着一个微分引力场。

    显示直接引力与微分引力之间区别的一个鲜明事例是海洋潮汐的幅度。

    虽然太阳对地球表面的直接引力比月亮的强180倍，太阳潮却比月亮潮弱得多。

    这是因为潮汐并不是由直接引力造成，而是由太阳和月亮对地球上不同点的引力的差异造成。对月亮来说这种差异是6，而对太阳则只有17。

    牛顿理论把微分引力效应称作潮汐力。

    在太阳系里潮汐力是很弱的，而黑洞所产生的潮汐力却能把整个恒星撕碎。

    然而对广义相对论来说，用潮汐力来描述微分引力是完全多余的，因为这不是一种力学效应而纯粹是一种几何效应。

    为理解这一点，且看两只开始时沿平行路线滚动且相隔不远的高尔夫球。

    如果地面完全平坦，它们的轨迹将保持平行，否则它们的相对位置就会改变，一个鼓包会使它们离远，一个凹坑则会使它们靠拢。

    在宇宙高尔夫球场里，微分引力可以用时空“场地”的弯曲来表示。

    而且，由于引力总是吸引，这种弯曲就总是凹下而不是隆起。因此，时空弯曲的深刻含义是指由等效原理所造就的引力场与几何之间的联系。

    物体不是在引力迫使下在“平直”时空中运动，而是沿着弯曲时空的恒值线自由地行进。

    既然我们可以把这一物理现象类比于宇宙天体，理论上应该有这种引力场给周边时空造成的涟漪影响。

    “不过既然我们知道了月球矩阵在影响地球人关于宇宙的真实感知，那么广义相对论就一定不全面！”

    尚志明心里这样想。

    在一般情况下，我们日常生活中所学习的是欧几里得几何，也就是欧式几何。

    但是在宇宙空间中，却有很多罗氏几何的时空连续体。

    罗巴切夫斯基几何，也称双曲几何，波利亚-罗巴切夫斯基几何或罗氏几何，是一种独立于欧几里得几何的一种几何公理系统。

    双曲几何的公理系统和欧氏几何的公理系统不同之处在于欧几里得几何的“第五公设”（又称平行公理，等价于“过直线之外一点有唯一的一条直线和已知直线平行”）被代替为“双曲平行公理”（等价于“过直线之外的一点至少有两条直线和已知直线平行”）。

    在这种公理系统中，经过演绎推理，可以证明一系列和欧氏几何内容不同的新的几何命题。

    比如三角形的内角和小于180度。

    如何让大部分地球人客观理解这些几何，是尚志明他们所急需的问题。