任何質量物體周圍的時空曲率都是由質量和質心之間的距離的結合決定的。其他問題，如速度、加速度和其他能源，都必須考慮在內。

物質告訴空間如何彎曲，彎曲的空間告訴物質如何移動。這是愛因斯坦廣義相對論背後的基本原理，它第一次將引力現象與時空現象和相對論聯繫起來。在宇宙的任何地方放置一個質量，它周圍的空間就會相應彎曲。但是如果你把那個質量拿走，或者把它移到別的地方，什麼會導致時空“反彈”到它不彎曲的位置呢？

我們被告知，質量使時空扭曲，而質量周圍時空的曲率可以解釋重力——例如，一個繞地球軌道運行的物體，實際上是沿著一條直線穿過彎曲的時空。好，這是有道理的，但是當質量(像地球)穿過時空並使其彎曲時，為什麼時空不保持彎曲狀態？當質量繼續前進時，什麼機制導致時空不再彎曲?

這個問題有很多有趣的地方，答案可以幫助你理解重力是如何工作的。

在我們的太陽系中，由行星和太陽所引起的空間曲率，必須考慮進宇宙飛船或其他天文臺所作的任何觀測。廣義相對論的影響，即使是微妙的，也不能被忽視。

在愛因斯坦之前的幾百年裡，我們最好的引力理論來自牛頓。牛頓對宇宙的概念是簡單的，直接的，並且在哲學上使許多人不滿意。他聲稱，宇宙中任何兩個質量，無論它們在哪裡，或相距多遠，都會通過一種被稱為引力的相互作用力，瞬間相互吸引。質量越大，力越大，距離越遠(平方)，力越小。這將適用於宇宙中所有的物體，牛頓的萬有引力定律精確地與觀測一致，這不像所有其他替代方法。

牛頓的萬有引力定律已被愛因斯坦的廣義相對論所取代，但它依賴於遠處瞬時作用力的概念。

但它提出了一種觀點，那就是當今許多頂尖的知識分子都無法接受:超距離作用的概念。兩個位於半個宇宙之外的物體怎麼可能突然而迅速地對彼此施加一個力呢？他們怎麼能從這麼遠的地方進行互動而不進行任何干預呢？笛卡爾無法接受它，相反，他提出了另一種選擇，即存在引力傳播的介質。空間充滿了一種物質，他認為，當一團物質穿過它，它就取代了物質，產生了漩渦：早期的以太。這是一長串所謂的機械（或動力學）引力理論中最早的一個。

在笛卡爾的重力觀中，有一個以太貫穿空間，只有通過它的物質位移才能解釋萬有引力。這並沒有得出與觀測相符的重力精確公式。

笛卡爾的觀點當然是錯誤的。與實驗的一致決定了物理理論的效用，而不是我們對某些美學標準的偏好。當廣義相對論出現的時候，它改變了牛頓定律在某些基本方面為我們描繪的圖景。例如：

• 空間和時間不是絕對的，也不是在任何地方都一樣，但是對於在不同速度和不同地點運動的觀察者來說，它們是相關的，並且表現不同。
• 引力不是瞬時的，而是以有限的速度傳播：引力傳播的速度，應該等於光速。
• 引力不是由質量和位置直接決定的，而是由空間的曲率決定的，空間的曲率本身是由宇宙中所有的物質和能量所決定的。

這裡的超距離作用仍然存在，但是牛頓的“通過靜態空間的無限範圍力”被時空曲率所取代。

空間的曲率意味著，在引力阱的深處——因此，在更嚴重的彎曲空間中——時鐘的運行速度與在較淺、較短的空間中時鐘的運行速度不同。

如果太陽瞬間從現實中消失，從宇宙中消失，我們在一段時間內是不會知道的。地球不會立刻直線飛行；它繼續繞太陽運行8分20秒。

如果把太陽移開，空間就會從彎曲變平，但這種轉變不是瞬間的。因為時空是一種結構，這種轉變必須以某種“斷裂”運動發生，這種運動會產生很大的漣漪。引力波——穿過宇宙，像池塘裡的漣漪一樣向外傳播。

無論是通過介質還是在真空中，傳播的每個波紋都有傳播速度。在任何情況下，傳播速度都不是無限的，理論上，引力波傳播的速度應該與宇宙中最大的速度：光速相同。

這些漣漪的速度和相對論中任何事物的速度一樣，都是由它們的能量和質量決定的。由於引力波是無質量的，但能量有限，它們必須以光速運動。也就是說，如果你仔細想想，地球並不是直接被太陽在太空中的位置所吸引，而是被太陽在8分鐘前的位置所吸引。

當質量圍繞另一個軌道運行時，就會產生引力輻射，這意味著在足夠長的時間內，軌道會衰減。在未來的某一天，地球將會螺旋進入太陽消失後剩下的地方，假設之前沒有其他東西把它驅逐出去。地球被吸引到太陽大約8分鐘前的位置，而不是現在的位置。

這很奇怪，而且可能是個問題，因為我們對太陽系的研究非常深入。如果8分鐘前地球被牛頓定律吸引到太陽的位置，那麼行星的軌道就不符合觀測結果。然而，廣義相對論還有另一種不同之處。你還需要考慮行星繞太陽運行時的速度。

例如，地球，因為它也在移動，就像“乘坐”在穿越空間的漣漪上，從它被升起的地方降落到另一個地方。廣義相對論中有兩種新的影響，使這個理論與牛頓的非常不同：每個物體的速度影響它如何經歷引力，引力場的變化也是如此。

時空結構，以質量引起的漣漪和變形為例。當然，空間的結構是彎曲的，但是隨著質量在不斷變化的引力場中運動，許多有趣的事情發生了。

如果你想計算時空曲率在空間中的任何一點，廣義相對論允許你這樣做，但是你需要知道一些事情。你需要知道宇宙中所有質量的位置、大小和分佈，就像牛頓所要求的那樣。但你也需要關於：

• 這些質量是如何運動的，它們是如何隨時間變化的，
• 所有其他(非質量)形式的能量是如何分佈的，
• 你觀察/測量的物體是如何在變化的引力場中運動的，
• 以及空間曲率隨時間的變化。

只有有了這些額外的信息，你才能計算出空間在空間和時間的特定位置是如何彎曲的。

不僅是質量的位置和大小決定了引力的作用和時空的演化，更重要的是這些質量之間的相互作用以及在隨時間變化的引力場中加速的方式。

不過，這種彎曲和不彎曲必須付出代價。你不能僅僅通過太陽不斷變化的引力場移動一個正在加速的地球而不產生任何結果。事實上它就在那裡，儘管它很小，而且可以測試。與牛頓的理論——

在我們測量引力波之前，事實上，這是我們測量引力速度的主要方法。注意，這不是為了地球，而是為了一個軌道變化容易被觀察到的極端系統：一個包含至少一顆中子星的緊密軌道系統。

最大的影響將會出現在一個巨大的物體上，通過一個強大的、不斷變化的引力場，以快速變化的速度運動。這就是雙星中子星給我們的東西！當其中一顆或兩顆中子星在軌道上運行時，它們就會發出脈衝，當中子星的極點通過我們的視線時，我們在地球上就能看到這些脈衝。愛因斯坦的引力理論的預測對傳播速度非常敏感，以至於即使從20世紀80年代發現的第一個二元脈衝星系統，PSR 1913 + 16（或Hulse-Taylor二元系統），我們也限制了 引力速度等於光速，測量誤差僅為0.2％！

雙星脈衝星的軌道衰減率與引力速度和雙星系統的軌道參數高度相關。我們使用二元脈衝星數據來限制引力的速度，使之等於光速，達到99.8%的精度。

就從這些二元脈衝星，我們知道重力的速度必須在2.993×10⁸米每秒和3.003×10⁸米每秒之間。我們可以證實廣義相對論，並排除牛頓的引力和許多其他的選擇。但是我們不需要一個機制來解釋為什麼空間在質量一度存在但現在不存在的時候不彎曲；廣義相對論本身就是解釋。在變化的引力場中加速的質量會將能量輻射出去，而輻射的能量則是穿過被稱為引力波的空間結構的漣漪。如果不再有物質或能量，就沒有任何東西可以保持空間的曲率。回到它的平衡，不彎曲的狀態，自然發生，並且簡單地導致重力輻射。不需要進一步的解釋。廣義相對論解決了這一切。

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關鍵字: 時空 扭曲 物理