为什么质量会弯曲空间，空间中究竟是什么被弯曲了？

2021-01-14 15:08 作者:天文在线 0人读过 | 我要投稿

事实上，质量不会真的弯曲空间。

集中的能量对周围的空间有影响。正如爱因斯坦在《广义相对论基础》中所说：“引力场的能量和任何其他能量都是等效的。” 像地球这样的大质量物体之所以有引力，是因为物质是能量的集中，因此得到公式E=mc²。但请注意，一个没有质量的光子也会产生引力，就像任何一种能量一样，不仅仅只有质能。

此外，这种能量实际上不会使周围的空间弯曲，而是会使其变得不再是均质的。参见1920年爱因斯坦在莱顿的演讲：“时间与空间的相互依赖，或者说认清我们用了10个函数来描述‘真空’在物理关系上既不是均质的也不是各向同性的这一事实，最终使我们摒弃了空间是一片虚无的观点。” 这种非均质的空间被建模成为弯曲的时空，详见《非均质真空：弯曲时空的另一种解释》。我们说时空是弯曲的，但并不认为空间本身就是弯曲的。参见《物理学常见问题》:“注意：不是空间的曲率，而是时空的。两者的区别至关重要。” 空间不是均质的，且这样的非均质是非线性的，所以测量图和度量标准都是弯曲的。度量标准与测量本身有关。

要注意的是，地球本身就有曲率这件事会引起一些混淆。要想使思路变得清晰起来，我们可以通过“放大”的思想，就像这样：现在你开始想象空间是非均质的，而非在引力场中弯曲。请注意，应力能量张量与方向压力有关，并且空间被明显地“向外推”，这种影响随着距离的增加而减小。因此，下面的正方形是扁平的。这是只用了正方形而不是球体来描绘里奇曲率，因为测地线球的体积偏离了标准球的体积。

至于空间中到底是什么被弯曲了，最好说到底是什么被改变了，答案就是空间本身。空间并不是一片虚无的。爱因斯坦认为它是一种如幽灵般的有弹性的东西，并且可以被施加压力。至于能量是如何做到这一点的，没有人确切知道。让我们把空间想象成一个被无数条线穿过的透明果冻，然后用皮下注射针在中间注射更多的果冻。周围的果冻被施加压力，产生类似于引力场的东西。但值得注意的是，你是把果冻注射到果冻里。空间和能量之间似乎有着某种深层的联系，好像在某种深层的层面上，它们是同一件东西。

但是这些都是形象化的比喻，不能按照字面的意思来理解。根据广义相对论，一个有质量的物体可以在其周围产生引力场，处于引力场中的有质量物体会受到引力的作用。压力对发生在场中的动作的速率产生影响，在广义相对论中称为引力时间“膨胀”（因为时间不是实体，所以膨胀一词加了引号）。质量聚合体表面产生的场是最强的，因此越靠近表面，物体（时间）的速率越慢。四个动作分别是：合成、衰减、振荡和空间位移（线性运动）。

广义相对论并没有解释质量是如何产生引力场的，也没有提供这样的机制，更没有说明引力场的能量如何减缓这些运动的速率，但它却有对线性运动几何效果的描述。在引力场中，当运动的物体靠近产生该场的质量聚合体表面时，面朝表面的那一面必定会比远离表面的那一面运动得慢，这种速率的差异会使物体沿着广义相对论所称的黎曼测地线运动。测地线在我们看来是弯曲的，这是因为我们用欧几里得的平面性和直线性来描绘空间，但在现实世界中并不存在这些条件。