“慣性系拖曳效應”有點像把一個橡皮球放入盛滿糖漿的大碗，橡皮球或者說大質量物體的轉動，會帶動糖漿或者說時空結構跟著一起運動。
基本介紹
- 中文名：慣性系拖曳效應
- 外文名：frame-dragging
- 發現者：馬克·哈德利
- 實質：天體自轉造成其周遭時空的扭曲
名詞解析,詳細內容,理論發展,
名詞解析
在宇宙學上，一個質量巨大的天體自轉時的速度和角動量會對其周圍的時空造成一定的扭曲，稱為”慣性系拖曳效應“。
“慣性系拖曳效應”有點像把一個橡皮球放入盛滿糖漿的大碗，橡皮球或者說大質量物體的轉動，會帶動糖漿或者說時空結構跟著一起運動。
詳細內容
科學家對於宇宙的起源感到迷惑，因為在137億年前大爆炸中誕生時，應當會產生一樣多的物質和反物質粒子，它們應當早已相互湮滅，從而使宇宙中一片空寂，沒有任何物質也沒有任何反物質。他們不能理解為何物質竟然“倖存”了下來。
英國華威大學物理學家馬克·哈德利(Mark Hadley)在計算我們銀河系時發現，星系自轉時會對其周圍的時空產生一種拖拽作用，根據愛因斯坦的廣義相對論，這樣一個質量巨大的天體自轉時的速度和角動量會造成其周遭時空的扭曲，稱為“慣性系拖曳效應”(frame-dragging)。
理論發展
地球的軌道平面（黃道平面）相對太陽的赤道平面大約有3°的傾斜，太陽系的行星幾乎都在太陽的赤道平面附近繞太陽轉動。對於這種現象有很多解釋，比較著名的有“起源說”、“攝動說”、“潮汐說”等，但這些假說只能解釋它們的軌道為什麼靠近同一個平面，而不能解釋它們為什麼靠近赤道平面。
天王星的轉軸傾角（以黃道平面為參考）大約是97°，這就意味著它的赤道平面幾乎與黃道平面垂直，而天王星的衛星幾乎都在天王星的赤道平面附近運動。有人說曾經有一個天體把天王星的轉軸撞歪了，但不可能把它的衛星軌道都撞歪，而且剛好都撞到它的赤道平面上來。這些天文現象說明主星的赤道平面同其衛星的軌道平面有很強的內在聯繫。
牛頓在推導萬有引力公式時，垂直於矢徑方向本來有兩個力——也就是說天體運動有動力和阻力，但在人類有限的時間內，天體因動力和阻力產生的平均軌道速度變化是無法觀測出來的，因此牛頓就高度近似地認為天體是慣性運動——不存在動力與阻力。
愛因斯坦的廣義相對論認為在大質量物體附近有一個引力中心，假設隨我們在箱子裡一起下落的還有4個蘋果（應該是4個質點），在我們上下左右各1個，隨著箱子向引力中心的靠近，我們會發現左右2個蘋果不受任何力的作用會彼此靠近（因為它們都向質量中心墜落），上下2個蘋果會彼此遠離，我們在箱子裡沒有發現它們受到力的作用。這說明這個下落的箱子還不是完全意義上的慣性系，有質量存在的空間不是平直的，必須要對它進行“改造”。
這一改造花了愛因斯坦若干年的時間，直到他發現黎曼幾何問題才得到解決。比如在黎曼幾何中2個平行運動的點可以彼此靠近或遠離（就像在地球表面），這樣就可以用黎曼幾何把有質量存在的空間“改造”成理想的慣性系，代價是空間“被扭曲”。所以廣義相對論只要使用黎曼幾何就能符合等效原理。
愛因斯坦在1915年推出了廣義相對論，給出了引力場方程。這是一個優美的張量方程，其中一項是能量動量張量，只要把空間的質量分布與運動狀態代入方程，就可解出空間的彎曲和物質的運動（引力場方程的求解是個高難度的工作）。引力場方程中沒有了引力，但它可以解決牛頓力學不能解決的問題。質量的作用不再是產生引力，而是使它所在的空間發生彎曲。人們都喜歡用一個（不太貼切的）比喻，就像一個鉛球放在一張拉緊的彈性膜上，平直的膜產生了變形。物體在彎曲的空間中沿著最短路徑運動，相當於“慣性”運動，運動的軌跡就是廣義相對論的“短程線”，也稱為“測地線”（因在地球表面上兩點間最近距離是一條曲線而得名）。
如果這個運動的物體具有自旋角動量的話，它的自轉軸會沿短程線進動。這種效應是廣義相對論的一種“較強的”實驗驗證方法，這被稱為廣義相對論的“慣性系拖拽效應”。
美國航天局曾在2004年發射的“引力探測器B”，已證實了這種效應。
