弯曲的时空和扭曲的时空有何区别
我们都知道,爱因斯坦的广义相对论是现代物理学的基石之一,它揭示了时空和物质之间的深刻联系。广义相对论告诉我们,时空并不是一成不变的,而是一个动态的实体,它会随着物质的分布和运动而发生变化。

在许多科普文章当中,弯曲的时空和扭曲的时空是混用的。但是,在广义相对论中,时空的弯曲和扭曲并不是一回事。那么,弯曲时空和扭曲时空有什么区别呢?
什么是时空
首先,我们要明白什么是时空。简单地说,时空就是我们生活的四维世界,它包括三个空间维度和一个时间维度。我们可以用一个坐标系来描述时空中的任何事件或物体,例如(x,y,z,t),其中x,y,z表示空间位置,t表示时间。
时空不是一个抽象的数学概念,而是一个真实的物理实体。它可以被测量和观察。例如,我们可以用光来探测时空的性质。光在真空中沿着直线传播,这条直线就是时空中的最短路径,也叫作测地线。这样,我们就可以通过观察光线的偏折来判断时空是否有弯曲或扭曲。

弯曲的时空
弯曲可以描述时空中不同方向之间存在角度偏差,它由黎曼曲率张量来表达。黎曼曲率张量是一个四阶反对称张量场,它定义为:R(X,Y,Z,W)=g(R(X,Y)Z,W)。其中 X,Y,Z,W 是任意的向量场, g 是黎曼流形上的度量, R(X,Y)Z 是一个向量场,它表示沿着 X 和 Y 方向的平行移动后, Z 向量的变化量。
黎曼曲率张量衡量了协变导数的反交换性,即平行移动的顺序对结果的影响。如果黎曼曲率张量为零,那么协变导数就是对易的,即平行移动的顺序无关紧要。在这种情况下,流形就是平直的。
现在,我们就以一种更容易懂的方式,来描述曲率的几何意义。当时空存在曲率时,一个矢量沿着闭合曲线平移一周后,它并不与原矢量重合,而是相差一个角度。必须再附加一个转动,它俩才能重合,而这个附加的转动,正是空间曲率(弯曲)产生的几何效应。

在物理上,黎曼曲率张量可以描述时空中存在的引力场或物质能量分布,它们会使得时空产生弯曲。例如,在广义相对论中,引力场方程是一个关于黎曼曲率张量和能动张量的方程,它反映了物质和能量对时空弯曲的影响。在这种理论中,时空是弯曲的。
扭曲的时空
扭曲可以描述时空中不同点之间存在平移偏差或旋转偏差,它由挠率张量来表达。挠率张量是一个三阶反对称张量场,它定义为:T(X,Y)=∇XY−∇YX−[X,Y]。其中 X,Y 是任意的向量场, ∇是任意的仿射联络, [X,Y] 是向量场的Lie括号。
挠率张量衡量了联络的非对称性或非度量性,即协变导数与向量场的交换不一致。如果挠率张量为零,那么联络就是对称的或度量的,即协变导数与向量场的交换一致。在这种情况下,联络就是Levi-Civita联络,它是黎曼流形上唯一确定的度量联络。
同样,我们用易懂的语言描述挠率的几何意义。空点一点O有两个矢量分别为OQ和OQ'。OQ沿着OQ'的方向平移到Q’点,得到矢量O'P';OQ'沿着OQ的方向平移到Q点,得到矢量OP。如果空间不存在挠率,那么P点和P'点重合;如果空间存在挠率,则两点不重合,必须附加一个移动才会重合。而这个附加的移动,就是挠率(扭曲)的几何效应。

在物理上,挠率张量可以描述时空中存在的自旋-自旋相互作用或自旋-轨道相互作用,它们会使得时空产生扭曲。例如,在爱因斯坦-卡尔坦理论中,引力场方程包含了挠率张量作为一个源项,它反映了物质的自旋密度。在这种理论中,时空不仅有弯曲,还有扭曲。
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