地球上,我們感覺不到地球的旋轉,太陽系中我們感覺不到太陽系的旋轉,因為我們身處於其中,以自身為參照物,所以相對被參照的對象,自然是靜止的。可地球、太陽確實是發生旋轉的,甚至是銀河系都是旋轉的。
早在二十世紀三十年代,天文物理學家其實就已經發現了,星系是高速旋轉的,也就是說,不止地球、太陽系,整個星系甚至是宇宙都是旋轉的,為了證實這個概念,天文物理學家先後做了不少試驗。
廣義相對論中的星系
星系的旋轉和引力有關,而廣義的相對論中提出,物質間的引力是相互作用的。就如同地球一樣,地球和太陽都是處於太陽系中,相對於地球和太陽來說,他們受到的引力是相互作用的,因為太陽引力的作用,地球變成了一個慣性系統的自轉和公轉體系,我們可以把地球引力場等效成一個特殊的慣性系,然後在慣性系裡我就可以使用狹義相對論了。
牛頓的力學就是狹義相對論中的一個慣性體系,牛頓的慣性定律解釋了物體具有慣性作用,同時這也因為參照的對象有關,如果沒有選取參照對象,我們便無從知道物體是否有慣性作用。
狹義相對論
狹義相對論中,物體運動時質量會隨著物體運動速度增大而增加(質速關係),同時,空間和時間也會隨著物體運動速度的變化而變化,即會發生尺縮效應和鍾慢效應,不過空間和時間在地球上來說,幾乎可以等同於不存在的效應,因為在地球上,狹義相對論只在慣性系中有效,它考慮的是平直時空的問題,不涉及引力。
但廣義相對論卻不同,它強調的是一個引力場,是一個關於時間、空間和引力的理論,它指出萬有引力不同於一般的力,而是時空彎曲的幾何效應。
愛因斯坦引力場方程
廣義相對論中,利用等效原理可以把帶引力的非慣性系轉化成不含引力的慣性系,凡是有引力的地方我都給它加一個自由降落的參考系將引力消除,然後剩下的事情用狹義相對論處理。
簡單來說,這個廣義相對論告訴我們,物質是如何彎曲的,時空是怎麼運動的。
星系中的引力場
星系的高速旋轉便是時空運動的體現,但讓人疑惑的是,通過天文物理學家通過星系旋轉速度算出的引力數據遠大於星系中所有星體質量所能提供的引力。根據廣義相對論重構的引力意義,在這一數據中卻好像沒有解決這個問題,是廣義相對論錯了?還是我們無法解釋這個宇宙中星系的結構呢?
如果廣義相對論沒錯,引力的概念沒有出現顛覆性的錯誤,那麼這就有一個關鍵性的問題了:宇宙要保證現在這個樣子的存在,所擁有的物質應該是我們所能觀測到的物質的十到二十倍左右。
根據有關資料獲悉,我們觀測到的物質只能提供宇宙所需引力的百分之五到百分之十,那剩下的百分之九十乃至百分之九十五的引力從哪裡提供呢,若存在這種引力,那提供這麼龐大的引力的物質質量又在哪裡呢?
暗物質理論
暗物質,一種不帶電荷,不與電子發生幹擾,有質量,有引力,目前還無法被人類看到、摸到的幽靈物質,這樣的一個概念開始出現在天文物理學中。
從宇宙大爆炸理論開始,人類便認為,宇宙中我們所能看到的物質並非是整個宇宙所含有的物質,因為大爆炸使很多物質量泯滅了,但這些質量並沒有消失,還在宇宙中存在,他們還有質量,有質量便會產生引力,從而為星系旋轉提供引力。
但這樣一來,暗物質這一概念,到目前為止人類都還沒有半點的線索,只能從一個理論中驗證它的存在,相對於天文物理學來說,這更像是一個投降式的概念,只有如此,那些科學家才能心安理得的認為,廣義相對論是正確的,其真正的原因是人類還無法解釋這個宇宙中星系的結構。