弯曲时空与几何相位
时空可以是弯曲的,这就相当于,物体下落时不会直着下坠,而是凭空走了个弧线掉落在地,甚至根本不会坠落,反而拐了个弯飞向远方。对于习惯地球重力的我们而言,这多少有些不可思议。
那么弯曲的时空是怎样出现的呢?根据爱因斯坦一个多世纪前提出的广义相对论,我们知道:有质量的物质会引起时空的扭曲,而扭曲的时空又会指导物质的运动。
我们很难想象结合时间维度的高维空间如何描绘,但可以将时空想象成一张具有弹性的巨大薄膜。大质量的物体,如恒星,像铅球一般放在时空薄膜上,会引起薄膜的凹陷,也就是时空的扭曲。而行星质量相对较小,就会像弹珠一样在薄膜凹陷处做向心运动。
很明显,明显弯曲的时空通常出现在大质量的天体附近,比如恒星、黑洞。但实际上,时空曲率无处不在,我们感受到的地心引力,也是由地球质量压凹时空薄膜导致。只是从宇宙尺度上看,我们生活的空间曲率几近于零,可以看作平直空间。
根据广义相对论,空间曲率会影响物质的运动。身为平直空间中的生物,我们很容易想象二维平面上的运动。如上图,我们平举右手,从一个点出发,不改变身体的朝向,在平面上完成一个闭合的路径,回到起点。同时一路记下我们右手指向的方向,你会发现,起始与结束时记录的方向没有改变,这符合常识。
但倘若平面变为球面,经过相同的闭合路径,右手指向的方向就会发生改变。这个角度的变化(相位),并非身体主动转动导致,完全是由运动路径所处空间的几何性质决定,因此也称之为几何相位(geometric phase)。
图片来源:不周