作者：李淼

　　2017年10月16日，人类初次发觉双中子星引力波。提起引力，你可晓得为何引力会导致体积弯曲呢？

　　万有引力是牛顿的伟大发觉之一，万有引力定律表述为：全部两个物体皆是相互迷惑的。引力的方向沿着两个物体之中的连线，引力的尺寸跟两个物体的品质乘积成正比，与他们的距离平方成反比，比重系数叫作牛顿引力常数，或许叫万有引力常数。

　　牛顿并未叮嘱咱们万有引力有甚么更深层的起源，也便是说，牛顿以为万有引力是根本相互效用力。咱们其实不感觉这有甚么奇怪，比如，电磁力便是电磁力，还不可还原为愈加根本的力。万有引力定律非常强盛，既可行解释地球上一切遭到地球迷惑的物体的活动，也可行解释天体的活动，比如地球如何绕太阳做椭圆活动，月亮如何绕地球做椭圆活动，还可行解释潮汐景象，可行解释银河系、星系团的构造和起源。

　　从牛顿到爱因斯坦之中的250年间，差不多无人怀疑过万有引力定律，也无人想修正这种理论。那末，爱因斯坦为何要修改万有引力定律？是他发觉有甚么景象万有引力定律解释不了？仍是有甚么天体的活动规则忽然偏离了万有引力定律？或许，爱因斯坦感觉万有引力定律背后另有更深的物理原因？

　　启发爱因斯坦寻觅新的万有引力理论的动机有两个。第一种，他的狭义相对论某种意义上是麦克斯韦电磁理论须要的活动学。爱因斯坦狭义相对论的第一篇论文的题目便是《论动体的电能源学》，他想晓得不同惯性系之中电磁学活动方程之中的关连。他发觉在狭义相对论中，麦克斯韦方程在不同的惯性系里的数学方式十足一样。自然，光速自身也是麦克斯韦方程的结论之一，是以光速不变。因而前面提到的伽利略相对性原理关于麦克斯韦方程是正确的。爱因斯坦将眼光移到万有引力上时，难题来了。牛顿的万有引力是瞬时力，万有引力定律不满足狭义相对论中的伽利略原理。这样，牛顿定律必需修改。

　　第二个动机是，为何惯性品质与引力品质相关？这两个品质的起源十足不同。惯性品质在狭义相对论中庸价于能量，而引力品质是牛顿为了表述万有引力定律引入的，未必便是惯性品质。

　　爱因斯坦以为，要将引力与狭义相对论联合起来，不可幸免地要推广惯性原理。他花了多年一直无寻到出路，终归有一天，他亢奋地料到，惯性品质与引力品质相等是解决难题的要害。

　　为何这种容易的想法是解决难题的要害？这是由于，假如引力品质与惯性品质十足相等，那末咱们就会见到，在时空的一丝周边全部的点粒子的提速度皆是一样的。假如作为观测者的咱们也有这样的提速度，那末依咱们本人作为参照系，全部粒子全没有提速度，这非是一种局域的惯性系吗？在咱这种自由降落的惯性系中，全部物理学定律和惯性系中十足一样。因而，咱就能原封不动地将惯性系中的物理学定律写下去。那末，在一种抵抗引力不做自由下落的坐标系中，物理学定律可行经过“翻译”自由下落的惯性系中的物理学定律获得。

　　因此，爱因斯坦料到弯曲几何的类比。取全部一种曲面，比如球面，在曲面子上一种点的周边，曲面近似是平坦的，这种“周边”范畴越小，几何就越平坦。全个弯曲面的几何是没有数这类平坦的几何拼接成的，有点像足球，每一块缝制足球的五边形和六边形看上去并没那末弯，假如将这点小块皮做得更小少许，就更平了。此刻，在引力场中，既然每个时空点周边都有局部惯性系，那末咱们可行将没有数局部惯性系“缝制”成一种弯曲时空。

　　惯性系切实是平坦的，由于依据爱因斯坦的看法，在惯性系中，最要害的没再是体积距离，却是“时空距离”，这种时空距离有某种一律意义，假如咱们从一种惯性系转换到相对匀速活动的另一种惯性系，这种“时空距离”不变，但体积距离没再有一律意义。是以，爱因斯坦将弯曲体积推广为弯曲时空，他的场方程叮嘱咱们时空的弯曲与能量以及动量相关。

　　咱们很简单想象弯曲的曲面，这是由于咱们可行在三维体积中干脆看球面、环面等。自然，在数学理论中，数学家十足可行摆脱三维体积探讨曲面，只需给出曲面子上的长度度量，曲面的性质就打算了。相似两维曲面，咱们可行想象三维弯曲体积，不必定三维弯曲体积放进四维体积或更高维体积中。体积弯曲，关于一种几何能力稍没有问题弟子来讲，其实不难想象。最终，如何想象弯曲的时间体积？弯曲的时间仍是好想象的，便是在不同的体积点，时钟走的快慢不一样。爱因斯坦的弯曲时空是现代万有引力理论。

来自：科学普及华夏

作者：李淼

编辑：曾映雪