每当夜晚抬头遥望那看似无尽而且沉寂的星空，布满了或明亮或昏暗的星光，我的思维都会被带进广阔的宇宙空间，会感受到面对广阔的宇宙时人类自身的渺小，甚至开始怀疑周围的一切存在。

遥望星空的你

今天要聊到的话题是关于宇宙中最隐秘最不容易被察觉的一个天文效应，让我们先从小学读物中的两句诗开始说起吧。

坐地日行八万里，巡天遥看一千河

这两句诗实际上是对地球自转等天文运动的一个真实写照。看看下面这组数据，我们就能清晰地了解到脚下的地球究竟一致在带着我们参与着哪些疯狂的行为！

• 地球赤道上的自转线速度约为466米/秒；
• 地球绕太阳公转的平均速度约为29.78千米/秒；
• 地球随着太阳系绕银河系中心旋转的速度约为250千米/秒；
• 地球随着银河系绕本星系团中心的旋转速度约为600千米/秒。

地球等各大行星绕太阳公转

看到这里你是不是已经在问自己一个问题了：是不是就在我躺在沙发上一动不动地阅读完手机上的一篇文章时，我已经飞跃而过数万甚至数十万公里了？

回答是肯定的，我们的宇宙就是这么疯狂，这就是今天的主题——空间拖拽效应。

空间拖拽效应

空间拖拽效应从字面意思上理解就是，宇宙中的大型天体在引力的作用下“拖拽”着其周围的物质伴随它一起运动的现象。这个解释实际上只回答对了一小半，因为天体所拖拽的对象决不仅仅只是其周围的物质，而是包括自身在内的整个宇宙空间，更直接但不那么严格的理解是天体周围的空间。

银河系对空间产生的旋转式拖拽

这究竟是怎么回事？空间也能被拖拽进而形成某种运动？这要先从牛顿的经典空间与马赫、爱因斯坦的相对性空间说起。

绝对空间到相对性空间

牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中提出了“绝对空间”的概念，并解释道：绝对空间其自身特性与一切外在的事物无关，处处均匀，永不移动。牛顿在试图区分绝对运动和相对运动时，提出了一个历史上极为著名的“水桶实验”，300年来，几乎所有的大物理学家和哲学家都对这个实验发表过见解，有人辩驳，有人维护（具体参见作者之前的相关文章）。

相对性空间

直到马赫、爱因斯坦彻底否定了牛顿对水桶实验的解释，揭示出相对性空间的概念，人们才意识到所谓的“绝对空间”是压根不存在的。马赫、爱因斯坦指出，一切物质的运动只有相对于其它的实实在在的物质而言才是有意义的。实际上，一切关于空间性质的研究必须建立在一个参考系上，而这个参考系必须跟某些实在性存在的客体相关联。

银河系构成的参考系示意图

例如地质学家在研究地理时，一般都以地球表面为参考系，而天文学家在研究地球在太阳系中的运动时，都是以整个太阳系构成的参考系为基础。地球表面构成的参考系实际上和太阳系构成的参考系并不是一个形态的宇宙空间，因为你在两个不同的参考系上观察到的宇宙景象在形式上是完全不同的，虽然它们属于同一个宇宙，服从着相同的物理规律。

了解完相对性空间的概念，在解释空间拖拽效应的基本原理之前，我们先来分析地球周围的空间拖拽效应为何那么隐秘，为何不容易被察觉？

地球周围的空间拖拽效应为何那么隐秘

我们从开始的一组数据看到的仅仅只是地球在整个宇宙空间中参与的各种运动的速度大小，实际上这些运动的轨迹都具有非常广阔的范围。例如地球以29.78千米/秒的速度绕太阳运转整整365天左右才能走完整个一个椭圆轨道，由此可见地球在公转的轨道任意短的一段路线上的运转都可以近似为是匀速直线运动。

包括地球的自转、公转、绕银心旋转等一切地球所参与的运动，都可以在小范围内认为是匀速直线运动。因此站在地面上的我们，在不考虑地球垂直引力作用的前提下，或者说在水平方向上，地球表面形成了一个足够近似的惯性参考系，那么在这样的一个惯性参考系上我们自然而然地是不能直接感受到任何惯性力的存在的。当然，在一些精密的实验中还是能够通过仪器测量出来地球自转产生的离心力。

地球表面越往近越趋于平整的惯性系

而假如地球的自转速度增大到足够的程度，我们在地面上感觉到的离心力就会使得我们自己的身体越来轻，甚至于感受到要飘起来一样。

这就是我们感觉不到地球周围空间拖拽效应的原因，接下来我们了解它的基本原理。

空间拖拽效应的基本原理

在上面的讨论中我们指出，一个天体例如地球在运动的过程中，所拖拽的是周围的空间而不仅仅是周围的物质，实际上就是建立在相对性空间的基础上的。因为我们将地球表面作为一个参考系，那我们观察到的有物理意义的空间仅仅只能是相对于地球表面静止的空间，在这样的空间形态里，我们认为我们观察到的空间是最“基本”的一个空间。

而站在整个太阳系构成的参考系上的观察者，同样认为他所观察到的空间是有物理意义的，并且认为我们在地球表面观察到的空间在随着地球一起运转，也就是空间被地球拖拽着一起运动。当然，我们也可以认为太阳周围的空间处于被太阳拖拽着一起运转的状态。

弯曲空间的旋转拖拽效应模拟图

由此我们看出，相对性空间的概念使“空间”的物理意义在任何一个参考系上都是平等的，在一个参考系上去“观察”其它参考系上的空间就会看到空间拖拽效应。

以上就是空间拖拽效应的相对性空间解释。我们在上面讨论的实际上只是广义上的空间拖拽效应，而狭义的空间拖拽效应是跟强引力场密切相关的。

狭义的空间拖拽效应跟强引力场密切相关

首先我们知道在整个太阳系的参考系上，地球是连同整个太阳系上的空间一起被太阳拖拽着绕银河系中心旋转的。假如太阳不再具有占到整个太阳系99.8%的质量而引力变得非常弱了，那会发生什么情况呢？

首先，太阳作为参考系仍然会拖拽着其周围的空间一起运动，但是像地球这么大质量的天体则一定会摆脱太阳的引力束缚，从而飞离整个太阳系，并且以不同于整个太阳系的方式去绕银河系中心旋转。

引力减弱的太阳与四处逃散的行星

这时表面上看起来，太阳对周围空间的拖拽效应是不是没那么明显了？因此，狭义的空间拖拽效应更强调的是天体的引力对周围物质的拖拽。

读懂了空间拖拽，你就读懂了整个宇宙的运行方式

在最后，我们再来对着头顶的满天繁星进行一场深思，再想想基于相对性空间的空间拖拽效应，你是否已经对这个宇宙在空间上的运行方式有了更深入的了解了呢？可以这么说吧，读懂了空间拖拽，你就读懂了整个宇宙的运行方式。