任何质量物体周围的时空曲率都是由质量和质心之间的距离的结合决定的。其他问题，如速度、加速度和其他能源，都必须考虑在内。

物质告诉空间如何弯曲，弯曲的空间告诉物质如何移动。这是爱因斯坦广义相对论背后的基本原理，它第一次将引力现象与时空现象和相对论联系起来。在宇宙的任何地方放置一个质量，它周围的空间就会相应弯曲。但是如果你把那个质量拿走，或者把它移到别的地方，什么会导致时空“反弹”到它不弯曲的位置呢？

我们被告知，质量使时空扭曲，而质量周围时空的曲率可以解释重力——例如，一个绕地球轨道运行的物体，实际上是沿着一条直线穿过弯曲的时空。好，这是有道理的，但是当质量(像地球)穿过时空并使其弯曲时，为什么时空不保持弯曲状态？当质量继续前进时，什么机制导致时空不再弯曲?

这个问题有很多有趣的地方，答案可以帮助你理解重力是如何工作的。

在我们的太阳系中，由行星和太阳所引起的空间曲率，必须考虑进宇宙飞船或其他天文台所作的任何观测。广义相对论的影响，即使是微妙的，也不能被忽视。

在爱因斯坦之前的几百年里，我们最好的引力理论来自牛顿。牛顿对宇宙的概念是简单的，直接的，并且在哲学上使许多人不满意。他声称，宇宙中任何两个质量，无论它们在哪里，或相距多远，都会通过一种被称为引力的相互作用力，瞬间相互吸引。质量越大，力越大，距离越远(平方)，力越小。这将适用于宇宙中所有的物体，牛顿的万有引力定律精确地与观测一致，这不像所有其他替代方法。

牛顿的万有引力定律已被爱因斯坦的广义相对论所取代，但它依赖于远处瞬时作用力的概念。

但它提出了一种观点，那就是当今许多顶尖的知识分子都无法接受:超距离作用的概念。两个位于半个宇宙之外的物体怎么可能突然而迅速地对彼此施加一个力呢？他们怎么能从这么远的地方进行互动而不进行任何干预呢？笛卡尔无法接受它，相反，他提出了另一种选择，即存在引力传播的介质。空间充满了一种物质，他认为，当一团物质穿过它，它就取代了物质，产生了漩涡：早期的以太。这是一长串所谓的机械（或动力学）引力理论中最早的一个。

在笛卡尔的重力观中，有一个以太贯穿空间，只有通过它的物质位移才能解释万有引力。这并没有得出与观测相符的重力精确公式。

笛卡尔的观点当然是错误的。与实验的一致决定了物理理论的效用，而不是我们对某些美学标准的偏好。当广义相对论出现的时候，它改变了牛顿定律在某些基本方面为我们描绘的图景。例如：

• 空间和时间不是绝对的，也不是在任何地方都一样，但是对于在不同速度和不同地点运动的观察者来说，它们是相关的，并且表现不同。
• 引力不是瞬时的，而是以有限的速度传播：引力传播的速度，应该等于光速。
• 引力不是由质量和位置直接决定的，而是由空间的曲率决定的，空间的曲率本身是由宇宙中所有的物质和能量所决定的。

这里的超距离作用仍然存在，但是牛顿的“通过静态空间的无限范围力”被时空曲率所取代。

空间的曲率意味着，在引力阱的深处——因此，在更严重的弯曲空间中——时钟的运行速度与在较浅、较短的空间中时钟的运行速度不同。

如果太阳瞬间从现实中消失，从宇宙中消失，我们在一段时间内是不会知道的。地球不会立刻直线飞行；它继续绕太阳运行8分20秒。

如果把太阳移开，空间就会从弯曲变平，但这种转变不是瞬间的。因为时空是一种结构，这种转变必须以某种“断裂”运动发生，这种运动会产生很大的涟漪。引力波——穿过宇宙，像池塘里的涟漪一样向外传播。

无论是通过介质还是在真空中，传播的每个波纹都有传播速度。在任何情况下，传播速度都不是无限的，理论上，引力波传播的速度应该与宇宙中最大的速度：光速相同。

这些涟漪的速度和相对论中任何事物的速度一样，都是由它们的能量和质量决定的。由于引力波是无质量的，但能量有限，它们必须以光速运动。也就是说，如果你仔细想想，地球并不是直接被太阳在太空中的位置所吸引，而是被太阳在8分钟前的位置所吸引。

当质量围绕另一个轨道运行时，就会产生引力辐射，这意味着在足够长的时间内，轨道会衰减。在未来的某一天，地球将会螺旋进入太阳消失后剩下的地方，假设之前没有其他东西把它驱逐出去。地球被吸引到太阳大约8分钟前的位置，而不是现在的位置。

这很奇怪，而且可能是个问题，因为我们对太阳系的研究非常深入。如果8分钟前地球被牛顿定律吸引到太阳的位置，那么行星的轨道就不符合观测结果。然而，广义相对论还有另一种不同之处。你还需要考虑行星绕太阳运行时的速度。

例如，地球，因为它也在移动，就像“乘坐”在穿越空间的涟漪上，从它被升起的地方降落到另一个地方。广义相对论中有两种新的影响，使这个理论与牛顿的非常不同：每个物体的速度影响它如何经历引力，引力场的变化也是如此。

时空结构，以质量引起的涟漪和变形为例。当然，空间的结构是弯曲的，但是随着质量在不断变化的引力场中运动，许多有趣的事情发生了。

如果你想计算时空曲率在空间中的任何一点，广义相对论允许你这样做，但是你需要知道一些事情。你需要知道宇宙中所有质量的位置、大小和分布，就像牛顿所要求的那样。但你也需要关于：

• 这些质量是如何运动的，它们是如何随时间变化的，
• 所有其他(非质量)形式的能量是如何分布的，
• 你观察/测量的物体是如何在变化的引力场中运动的，
• 以及空间曲率随时间的变化。

只有有了这些额外的信息，你才能计算出空间在空间和时间的特定位置是如何弯曲的。

不仅是质量的位置和大小决定了引力的作用和时空的演化，更重要的是这些质量之间的相互作用以及在随时间变化的引力场中加速的方式。

不过，这种弯曲和不弯曲必须付出代价。你不能仅仅通过太阳不断变化的引力场移动一个正在加速的地球而不产生任何结果。事实上它就在那里，尽管它很小，而且可以测试。与牛顿的理论——

在我们测量引力波之前，事实上，这是我们测量引力速度的主要方法。注意，这不是为了地球，而是为了一个轨道变化容易被观察到的极端系统：一个包含至少一颗中子星的紧密轨道系统。

最大的影响将会出现在一个巨大的物体上，通过一个强大的、不断变化的引力场，以快速变化的速度运动。这就是双星中子星给我们的东西！当其中一颗或两颗中子星在轨道上运行时，它们就会发出脉冲，当中子星的极点通过我们的视线时，我们在地球上就能看到这些脉冲。爱因斯坦的引力理论的预测对传播速度非常敏感，以至于即使从20世纪80年代发现的第一个二元脉冲星系统，PSR 1913 + 16（或Hulse-Taylor二元系统），我们也限制了 引力速度等于光速，测量误差仅为0.2％！

双星脉冲星的轨道衰减率与引力速度和双星系统的轨道参数高度相关。我们使用二元脉冲星数据来限制引力的速度，使之等于光速，达到99.8%的精度。

就从这些二元脉冲星，我们知道重力的速度必须在2.993×10⁸米每秒和3.003×10⁸米每秒之间。我们可以证实广义相对论，并排除牛顿的引力和许多其他的选择。但是我们不需要一个机制来解释为什么空间在质量一度存在但现在不存在的时候不弯曲；广义相对论本身就是解释。在变化的引力场中加速的质量会将能量辐射出去，而辐射的能量则是穿过被称为引力波的空间结构的涟漪。如果不再有物质或能量，就没有任何东西可以保持空间的曲率。回到它的平衡，不弯曲的状态，自然发生，并且简单地导致重力辐射。不需要进一步的解释。广义相对论解决了这一切。

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關鍵字: 时空 扭曲 物理