是引力导致的空间扭曲还是空间扭曲产生的引力?

广义相对论里,引力的描述是因为空间发生了扭曲,在我们三维的世界里看起来就是重力的现象。可是黑洞的描述里为什么是由于巨大的引力产生了空间扭曲呢?我好迷茫


民科好多啊…… 可惜专搞 GR(广义相对论)的几个大牛都没出现,只好让我这个半民科顶上去了。

John Wheeler (费曼的老板,“黑洞”概念的提出者)有句话,请记住它:“质量告诉时空如何弯曲,时空告诉质量如何运动。”

再记住这句话:质点在弯曲时空中运动时,轨迹会受到时空弯曲的影响,就跟受到一个力一样;人们为了方便,管这个表现叫“引力”。

够了,剩下的就是数学了。当然,要是有人愿意用民科式的脑补来填充,咱也没辙啊。

说出“黑洞附近因为巨大的引力产生了空间扭曲”的人,放学别走。写给外行看,也得保证措辞尽量严谨啊。科普也要按照基本法,识得唔识得噶?

最后,澄清两个概念。

首先,弯曲的东西,是时空,而不仅仅是空间。在老爱之前许多年,黎曼本人就试图用空间弯曲解释引力:因为,自伽利略指出“引力质量 == 惯性质量”(你可以通俗地将这个等号理解为“从比萨斜塔上往下扔一大一小俩球结果这俩同时落地”,虽然伽利略其实并没有做过这事儿)以来,人们发现,这一事实在牛顿力学的框架下实在是太不自然了(两个不相关的物理量竟然完全相等),几乎唯一的“看上去自然”的解释就是“引力是几何效应”(这使得这两个物理量事实上成了一个东西)。可惜因为当时完全不可能对“时空”有什么认识,黎曼没有把时间维度放进去,所以碰了一鼻子灰(对 GR 微扰有经验的人应该能立即想到,在弱场下,跟牛顿引力势长得差不多的那个东西,正是出现在与时间有关的分量上)。

其次,在一般情形下,我们一般不会使用“扭曲”这个字眼。“扭曲”在 GR 里有着特殊的内涵:不为零的挠率,也就是适应度规的联络张量 \Gamma^{a}_{\ b c} 的两个下指标 b 和 c 不能交换。而通常说的“时空弯曲”,指的是时空的黎曼曲率张量不为零。有挠率的 GR 被研究得不多,部分地因为老爱在最早版本的 GR 中就假定了挠率为零而被大家因袭,也部分地因为有挠的 GR 在很多方面与观测不符(比如,最简单地,挠率的源是什么?你觉得粒子自旋好使么?)。现在有人试图用宇宙尺度上的挠率替代暗物质,也把那张 Hubble diagram 拟合上了(当然,关于 Hubble diagram 的许多拟合都有 overfitting 之嫌,这项工作也不例外);不过,提出这个模型的人自己都说“姑妄言之姑听之”了,大家便也没有太认真地对待。

通俗地说,“弯曲”指的是这样的情形:把一个矢量从 Q 平移到 P,有“上路”和“下路”两种走法(看下图中的那个“平行四边形”),而通过两种走法平移过去的矢量 [ 下图中的 v_a(P) 和 \tau_a(P) ] 是不能重合的——这意味着,你好端端地试图朝前走,时空的弯曲却偏要来搡你一把,这“搡你一把”就是引力。

(图片来自 http:///abs/0804.3742,这是我见过的废图和废话最多的物理学博士论文之一)
而若时空是“扭曲”的,则上图中的那个“平行四边形”根本不能存在,得缺个口儿: