引力場是什麼？時空又是什麼？它們之間有何區別？

嚴格的講，引力場與時空是兩個不同的概念。本文將為你簡述這2個知識點。

什麼是引力場？

在物理學中，重力場是用來解釋一個大質量物體向自身周圍的空間延伸的，並對另一個大質量物體產生的作用力的影響的模型。因此引力場被用來解釋引力現象，並以每千克的質量產生多少牛頓的引力為單位。在最初的概念中，引力是點質量之間的力。繼艾薩克·牛頓之後，皮埃爾-西蒙·拉普拉斯試圖將引力解釋為某種輻射場或流體，但自19世紀以來人們通常用場模型來解釋引力，而不是用質點之間的吸引力。

圖解:萬有引力使行星按照自身的軌道圍繞太陽運轉

在場模型中，不是兩個粒子直接吸引彼此，而是粒子通過它們的質量來扭曲時空從而實現兩者互相吸引的表象，這種時空的扭曲被視為一種「力」。在這樣一個模型中，我們可以將引力現象視為物質在時空曲率的作用下以某種確定的方式運動的趨勢，所以可以說本不存在所謂「引力」，或者也可以說引力本身就是一種假想的力。

圖解:在600千米的距離上觀看十倍太陽質量的黑洞（模擬圖），背景為銀河系

   搜

什麼是時空？

在物理學中，時空一詞是一個用來描述將三維空間的基礎上再加上一個時間維度，再把它們融合在一起從而形成一個四維的連續整體的數學模型。時空圖可以用來將相對論效應可視化，例如為什麼不同的觀察者會對同一事件發生的地點和時間產生不同的感知觀察者之間所處的時空坐標不同，所以會對同一事件產生不同的觀察結果。

圖解:相對論射流

直到20世紀初，人們一直認為宇宙的三維幾何結構以坐標、距離和方向表示的空間表達式是獨立於時間維度存在的。然而1905年，阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)基於兩個假設創造性地提出了對狹義相對論：(1)在所有慣性系統中(即，非加速參考系)物理定律都是是不變的；(2)無論光源的運動如何，真空中的光速對所有觀察者都是一樣的。

圖解:標準配置中兩個參照系的伽利略圖

這兩個假設組合到一起得出的合乎邏輯的結論就是直到當時仍被認為是相互獨立的時間和空間必須合二為一，變成一個包含四個維度的無法割裂的時空整體。這樣就產生出許多違反直覺的結論：除了獨立於光源的運動之外，光速無論在什麼參照系中測量都會具有相同的數值；而在不同的慣性參照系中，事件發生的距離甚至時間順序都會發生變化(這是同時性的相對性)；速度的線性可加性也不再成立。

圖解:伽利略時空與速度組成

   搜

愛因斯坦把他的理論建立在動力學的基礎上，他的理論是對洛倫茨1904年提出的電磁現象理論和龐加萊的電動力理論的突破。雖然這些理論包含了與愛因斯坦引入的方程相同的方程(即洛倫茲變換)，但它們本質上是用來解釋各種實驗結果的特別模型，包括著名的邁克耳遜-莫利干涉儀實驗，這些實驗極其難以融入現有的範式。

圖解:重力探頭B證實了重力磁的存在。

1908年，曾是就讀於蘇黎世的年輕的愛因斯坦的老師的數學教授赫爾曼·閔可夫斯基(Hermann Minkowski)提出了狹義相對論的幾何解釋，將時間和空間的三維空間融合成一個四維連續體，即現在的閔可夫斯基空間。這一解釋的一個重要特性是對時空間隔作出了正式定義。儘管在不同的參照系中，事件之間的距離和時間的測量結果是不同的，但時空間隔是獨立於觀察它們的慣性參照系的。

閔可夫斯基對相對論的幾何解釋對愛因斯坦1915年提出的廣義相對論的發展至關重要。在廣義相對論中，他展示了質量和能量如何將這個平坦的時空彎曲成一個偽黎曼流形。

本文由天文志願文章組- Randolph Carter翻譯自的作品，如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫運營者刪除。

注意：所有信息數據龐大，難免出現錯誤，還請各位讀者海涵以及歡迎斧正。