惯性系拖曳效应

天体自转造成其周遭时空的扭曲

“惯性系拖曳效应”有点像把一个橡皮球放入盛满糖浆的大碗，橡皮球或者说大质量物体的转动，会带动糖浆或者说时空结构跟着一起运动。

名词解析

在宇宙学上，一个质量巨大的天体自转时的速度和角动量会对其周围的时空造成一定的扭曲，称为”惯性系拖曳效应“。

详细内容

科学家对于宇宙的起源感到迷惑，因为在137亿年前大爆炸中诞生时，应当会产生一样多的物质和反物质粒子，它们应当早已相互湮灭，从而使宇宙中一片空寂，没有任何物质也没有任何反物质。他们不能理解为何物质竟然“幸存”了下来。

英国华威大学物理学家马克·哈德利(Mark Hadley)在计算我们银河系时发现，星系自转时会对其周围的时空产生一种拖拽作用，根据爱因斯坦的广义相对论，这样一个质量巨大的天体自转时的速度和角动量会造成其周遭时空的扭曲，称为“惯性系拖曳效应”(frame-dragging)。

理论发展

地球的轨道平面（黄道平面）相对太阳的赤道平面大约有3°的倾斜，太阳系的行星几乎都在太阳的赤道平面附近绕太阳转动。对于这种现象有很多解释，比较著名的有“起源说”、“摄动说”、“潮汐说”等，但这些假说只能解释它们的轨道为什么靠近同一个平面，而不能解释它们为什么靠近赤道平面。

天王星的转轴倾角（以黄道平面为参考）大约是97°，这就意味着它的赤道平面几乎与黄道平面垂直，而天王星的卫星几乎都在天王星的赤道平面附近运动。有人说曾经有一个天体把天王星的转轴撞歪了，但不可能把它的卫星轨道都撞歪，而且刚好都撞到它的赤道平面上来。这些天文现象说明主星的赤道平面同其卫星的轨道平面有很强的内在联系。

牛顿在推导万有引力公式时，垂直于矢径方向本来有两个力——也就是说天体运动有动力和阻力，但在人类有限的时间内，天体因动力和阻力产生的平均轨道速度变化是无法观测出来的，因此牛顿就高度近似地认为天体是惯性运动——不存在动力与阻力。

爱因斯坦的广义相对论认为在大质量物体附近有一个引力中心，假设随我们在箱子里一起下落的还有4个苹果（应该是4个质点），在我们上下左右各1个，随着箱子向引力中心的靠近，我们会发现左右2个苹果不受任何力的作用会彼此靠近（因为它们都向质量中心坠落），上下2个苹果会彼此远离，我们在箱子里没有发现它们受到力的作用。这说明这个下落的箱子还不是完全意义上的惯性系，有质量存在的空间不是平直的，必须要对它进行“改造”。

这一改造花了爱因斯坦若干年的时间，直到他发现黎曼几何问题才得到解决。比如在黎曼几何中2个平行运动的点可以彼此靠近或远离（就像在地球表面），这样就可以用黎曼几何把有质量存在的空间“改造”成理想的惯性系，代价是空间“被扭曲”。所以广义相对论只要使用黎曼几何就能符合等效原理。

爱因斯坦在1915年推出了广义相对论，给出了引力场方程。这是一个优美的张量方程，其中一项是能量动量张量，只要把空间的质量分布与运动状态代入方程，就可解出空间的弯曲和物质的运动（引力场方程的求解是个高难度的工作）。引力场方程中没有了引力，但它可以解决牛顿力学不能解决的问题。质量的作用不再是产生引力，而是使它所在的空间发生弯曲。人们都喜欢用一个（不太贴切的）比喻，就像一个铅球放在一张拉紧的弹性膜上，平直的膜产生了变形。物体在弯曲的空间中沿着最短路径运动，相当于“惯性”运动，运动的轨迹就是广义相对论的“短程线”，也称为“测地线”（因在地球表面上两点间最近距离是一条曲线而得名）。

如果这个运动的物体具有自旋角动量的话，它的自转轴会沿短程线进动。这种效应是广义相对论的一种“较强的”实验验证方法，这被称为广义相对论的“惯性系拖拽效应”。

美国航天局曾在2004年发射的“引力探测器B”，已证实了这种效应。

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