如果质量使时空弯曲，它如何再次弯曲？

物质告诉空间如何弯曲，弯曲的空间告诉物质如何运动。这是爱因斯坦广义相对论背后的基本原理，它首次将引力现象与时空和相对论联系起来。在宇宙的任何地方放置一个物体，它周围的空间就会相应地弯曲。但如果你把质量拿走，或把它移到别处，是什么导致时空“弹回”到它未弯曲的位置?这是埃德加·卡朋特的《问伊森》，他写道:

我们被教导质量扭曲时空，而围绕质量的时空曲率解释了重力——因此，例如，一个绕地球轨道运行的物体，实际上是沿着一条直线穿过弯曲的时空。好吧，这说得通，但是当质量(比如地球)穿过时空并使其弯曲时，为什么时空不会保持弯曲呢?当质量移动时，是什么机制使时空区域不扭曲?

关于这个问题有很多有趣的地方，答案可以帮助你理解重力是如何起作用的。

在爱因斯坦之前的几百年里，我们最好的引力理论来自牛顿。牛顿的宇宙概念简单、直接，在哲学上令许多人不满意。他声称，宇宙中的任何两个物体，无论它们位于哪里，或它们相距多远，都会通过一种称为引力的相互作用力瞬间吸引对方。质量越大，力越大，距离越远(平方)，力就越小。这将适用于宇宙中的所有物体，而牛顿的万有引力定律，不像所有其他提出的替代品，与观测结果完全一致。

但它引入了一个当时许多顶尖知识分子无法接受的概念:远程行动的概念。两个位于半个宇宙之外的物体是如何突然、瞬间对对方施加作用力的?它们怎么能在这么远的地方相互作用而不受任何干扰呢?笛卡尔无法接受这一理论，于是提出了另一种理论，即存在一种引力可以通过的介质。他认为，空间中充满了一种物质，当一个质量通过它时，它会取代物质并产生漩涡:这是以太的早期版本。这是被称为重力力学(或动力学)理论的一系列理论中最早的一个。

当然，笛卡尔的观点是错误的。与实验的一致性决定了物理理论的效用，而不是我们对某些审美标准的偏好。当广义相对论出现时，它从根本上改变了牛顿定律为我们描绘的图景。例如:

空间和时间不是绝对的，在任何地方都是相同的，但对于以不同速度和不同位置移动的观察者来说:

空间和时间是相关的，表现也是不同的。

引力不是瞬时的，而是以一个有限的速度传播的:重力的速度，它应该等于光速。

引力不是由质量和位置直接决定的，而是由空间的曲率决定的，而曲率本身是由整个宇宙的全部物质和能量决定的。

距离的作用是存在的，但牛顿的“通过静态空间的无限范围的力”被时空曲率所取代。

如果太阳突然消失，从宇宙中消失，我们在一段时间内都不会知道。地球不会立刻以直线飞离;它将继续绕太阳轨道运行8分20秒。决定万有引力的不是质量，而是空间的曲率，它是由空间中所有物质和能量的总和决定的。

如果你把太阳拿走，空间会从弯曲变成平坦，但这种转变不是瞬时的。因为时空是一种结构，这种转换必须以某种“断裂”的运动发生，这将在宇宙中发出巨大的涟漪——也就是引力波——向外传播，就像池塘里的涟漪。

这些波纹的速度与相对论中任何物体的速度一样，由它们的能量和质量决定。由于引力波没有质量，但能量有限，所以它们必须以光速运动。这意味着，如果你想一下，地球并不是直接被太阳在空间中的位置吸引，而是被太阳在8分钟前的位置吸引。

这很奇怪，也是一个潜在的问题，因为对太阳系的研究是如此深入。如果地球被吸引到太阳的位置~8分钟前使用牛顿定律，行星的轨道将不符合观测。然而，广义相对论还有另一个不同之处。你还需要考虑行星绕太阳运行时的速度。

例如，地球，因为它也在运动，有点像“骑”过在空间中旅行的波纹，落在不同的位置，从它上升的地方。在广义相对论中，有两个新的效应使这个理论与牛顿的理论非常不同:每个物体的速度影响着它感受重力的方式，引力场中发生的变化也是如此。

如果你想计算空间中任意一点的时空曲率，广义相对论允许你这么做，但你需要知道一些东西。你需要知道宇宙中所有质量的位置、大小和分布，就像牛顿要求的那样。但你还需要以下信息:

这些质量是如何移动的以及它们是如何随时间移动的，

所有其他(非质量)形式的能量是如何分布的，

你观察/测量的物体如何在一个变化的引力场中运动，

以及空间曲率如何随时间变化。

只有有了这些额外的信息，你才能计算出在空间和时间的某个特定位置，空间是如何弯曲的。

但这种弯曲和不弯曲是有代价的。你不可能仅仅移动，比如说，一个加速的地球穿过太阳不断变化的引力场而不产生任何后果。事实上，它是存在的，尽管它很小，它可以被测试。与牛顿的理论不同，在牛顿的理论中，地球在绕太阳公转的过程中应该沿着一个闭合的椭圆轨道运行，而广义相对论预测，这个椭圆轨道应该随着时间的推移而进动，并且轨道会非常缓慢地衰减。这可能需要比宇宙年龄更长的时间，但它不会是任意稳定的。

事实上，在我们测量引力波之前，这是我们测量重力速度的主要方法。提醒你一下，不是针对地球，而是针对一个轨道变化很容易观察到的极端系统:一个至少包含一颗中子星的紧轨道系统。