是引力導致的空間扭曲還是空間扭曲產(chǎn)生的引力?

廣義相對論里,引力的描述是因為空間發(fā)生了扭曲,在我們?nèi)S的世界里看起來就是重力的現(xiàn)象??墒呛诙吹拿枋隼餅槭裁词怯捎诰薮蟮囊Ξa(chǎn)生了空間扭曲呢?我好迷茫


民科好多啊…… 可惜專搞 GR(廣義相對論)的幾個大牛都沒出現(xiàn),只好讓我這個半民科頂上去了。

John Wheeler (費曼的老板,“黑洞”概念的提出者)有句話,請記住它:“質(zhì)量告訴時空如何彎曲,時空告訴質(zhì)量如何運動。”

再記住這句話:質(zhì)點在彎曲時空中運動時,軌跡會受到時空彎曲的影響,就跟受到一個力一樣;人們?yōu)榱朔奖?,管這個表現(xiàn)叫“引力”。

夠了,剩下的就是數(shù)學了。當然,要是有人愿意用民科式的腦補來填充,咱也沒轍啊。

說出“黑洞附近因為巨大的引力產(chǎn)生了空間扭曲”的人,放學別走。寫給外行看,也得保證措辭盡量嚴謹啊??破找惨凑栈痉?,識得唔識得噶?

最后,澄清兩個概念。

首先,彎曲的東西,是時空,而不僅僅是空間。在老愛之前許多年,黎曼本人就試圖用空間彎曲解釋引力:因為,自伽利略指出“引力質(zhì)量 == 慣性質(zhì)量”(你可以通俗地將這個等號理解為“從比薩斜塔上往下扔一大一小倆球結果這倆同時落地”,雖然伽利略其實并沒有做過這事兒)以來,人們發(fā)現(xiàn),這一事實在牛頓力學的框架下實在是太不自然了(兩個不相關的物理量竟然完全相等),幾乎唯一的“看上去自然”的解釋就是“引力是幾何效應”(這使得這兩個物理量事實上成了一個東西)??上б驗楫敃r完全不可能對“時空”有什么認識,黎曼沒有把時間維度放進去,所以碰了一鼻子灰(對 GR 微擾有經(jīng)驗的人應該能立即想到,在弱場下,跟牛頓引力勢長得差不多的那個東西,正是出現(xiàn)在與時間有關的分量上)。

其次,在一般情形下,我們一般不會使用“扭曲”這個字眼?!芭で痹?GR 里有著特殊的內(nèi)涵:不為零的撓率,也就是適應度規(guī)的聯(lián)絡張量 \Gamma^{a}_{\ b c} 的兩個下指標 b 和 c 不能交換。而通常說的“時空彎曲”,指的是時空的黎曼曲率張量不為零。有撓率的 GR 被研究得不多,部分地因為老愛在最早版本的 GR 中就假定了撓率為零而被大家因襲,也部分地因為有撓的 GR 在很多方面與觀測不符(比如,最簡單地,撓率的源是什么?你覺得粒子自旋好使么?)?,F(xiàn)在有人試圖用宇宙尺度上的撓率替代暗物質(zhì),也把那張 Hubble diagram 擬合上了(當然,關于 Hubble diagram 的許多擬合都有 overfitting 之嫌,這項工作也不例外);不過,提出這個模型的人自己都說“姑妄言之姑聽之”了,大家便也沒有太認真地對待。

通俗地說,“彎曲”指的是這樣的情形:把一個矢量從 Q 平移到 P,有“上路”和“下路”兩種走法(看下圖中的那個“平行四邊形”),而通過兩種走法平移過去的矢量 [ 下圖中的 v_a(P) 和 \tau_a(P) ] 是不能重合的——這意味著,你好端端地試圖朝前走,時空的彎曲卻偏要來搡你一把,這“搡你一把”就是引力。

(圖片來自 http:///abs/0804.3742,這是我見過的廢圖和廢話最多的物理學博士論文之一)
而若時空是“扭曲”的,則上圖中的那個“平行四邊形”根本不能存在,得缺個口兒: