在弯曲的时空里,行星遵循什么轨迹?
时空弯曲爱因斯坦的广义相对论认为,物质和时间(时空)会因为物质的存在而弯曲,引力场的存在其实就是时空弯曲的原因。爱因斯坦使用了太阳产生的引力场使空间弯曲的理论,这很好地解释了水星近日点岁差中无法解释的43秒,以及穿过太阳的光线发生偏转。广义相对论预言了引力红移,即光谱在强引力场中向红端移动,这在20世纪20年代被天文学家证实。
添加时间维度。无论对于石头、子弹还是光子,在时间和空间中测量的曲率半径都是完全一样的,其值为1光年星。所以说时空的轨道是“直的”更合理,时空本身被引力弯曲,没有任何其他力的抛射体会沿着测地线运动(相当于弯曲几何中的直线运动)。
上面的例子显示了时空如何在时间上比在空间上弯曲得更多。一旦速度开始增加,时间曲率就变得很重要。高速公路上有一个小的凸起,但是空间的曲率有点不规则,一个行人很难注意到,但是对于一辆120 km/h的车来说是非常危险的,因为它在时间维度上造成的变化要大得多。
亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)计算出,1吨的质量放在半径为5米的圆心所引起的空间曲率变化,只影响周长与直径的比值(即欧几里得几何中…小数点后第24位)。
所以,要想在时间和空间上引起相当大的变化,就要有很大的质量。地球表面时空半径曲率如此之大(约1光年,即1亿倍自身半径)的事实,说明地球的重力场还不够强,虽然给出了98 m/s '的加速度。对于地球附近的大部分物理实验,可以继续采用闵可夫斯基时空和狭义相对论;当涉及的速度很小时,欧几里得空间和牛顿力学足够精确。
虽然局部看起来是平的,但我们的宇宙实际上是被物质弯曲的。但是,弯曲效应只有在高度集中的质量附近(比如黑洞)或者在非常大的尺度上(比如几百万光年,研究对象是由几千个星系组成的星系团)才变得明显。多个类星体的发现是弯曲时空真实性的最好证据。远处光源发出的光沿着不同的路径穿过弯曲的时空,天文学家就可以看到同一天体的几道柔光。