W什么是轨道旋转?基本情况很清楚:一个物体处于静止状态，而另一个物体则围绕着它走着圆形或椭圆形的路径。问题是要弄清楚哪个是哪个肉体。如果你站在地球表面，你会发现太阳似乎每年缓慢地绕着你转一次。(当然，看起来好像整个天空每天都围绕着你旋转一次，因为地球是绕着它的轴旋转的。但我们考虑的是太阳相对于天空其余部分的运动，这种运动每年循环一次。)但在太阳表面，它也可能看起来像地球在绕轨道运行你每年一次。要弄清楚哪一个反映了太阳系的真正运动，而不是仅仅是表面的运动，曾经是一个激烈的争论问题。
例如，17世纪的物理学家伽利略就因为声称地球围绕静止的太阳运行而被判为异端邪说。他在软禁中度过了余生。即便如此，他还是比乔丹诺·布鲁诺(Giordano Bruno)过得好。1600年，布鲁诺因其异端观点(包括相信地球会移动)而被活活烧死。
我们都知道这个故事如何结束。该关键是由Isaac Newton提供的，其17世纪已故的杰作，自然哲学的数学原理这本书是为了一劳永逸地解决太阳系真正的运动问题而写的。为了做到这一点，牛顿提出了关于空间、时间和运动的新理论，以及他著名的万有引力理论，该理论解释了太阳、行星和夜空中其他天体如何影响彼此的运动。他的理论表明两者都不太阳和地球都是静止的:它们都绕着太阳系的质心运行。但由于太阳的质量如此之大，太阳系的质心非常接近太阳的中心，因此，从实际出发，伽利略和布鲁诺的观点是正确的。
在广义相对论中，没有什么东西完全符合“轨道旋转”的描述。
至少，当牛顿的理论是正确的时，他们就有正确的事情。今天，物理学家认为，牛顿的引力仅仅是一般相对论的有用近似，不同的空间，时间和引主，爱因斯坦大约一个世纪以前。事实证明，一般相对论的轨道旋转比牛顿更微妙，或者在20世纪之前的其他人想象。事实上，大卫·马莱美是加利福尼亚大学的哲学家伊维林的哲学家显示在广义相对论中，没有自转的概念符合上面所描绘的基本图景。(完全披露:Malament是我在加州大学欧文分校的同事，在那之前，他是我的博士导师。)
年代假设你想测试一个物体是否在旋转。对于牛顿来说，你可以做一些简单的实验，任何一个都足够了。为简单起见，考虑一个圆形的环，围绕一个假想轴旋转(或不旋转)通过环的中心，垂直于它的平面(基本上，一个自行车车轮围绕轴旋转，尽管没有任何连接辐条)。因为它是一个环，你不需要担心物体不同部分的不同速度，就像球体一样。(考虑低维情况通常更简单。)然而，即使在这种简单的情况下，在广义相对论中关于环是否在旋转仍然存在基本的歧义。
这里有一个实验来测试环是否在旋转。假设你位于环中心的轴上。拿起望远镜，对准环，检查环是否在移动。当然，要使这个工作，你需要确保你和你的望远镜不是绕着同一个轴旋转，因为在这种情况下，即使不是，环也可能看起来是在旋转。你可以用一个简单的测试来证实这一点，这个测试最初是由牛顿提出的:拿一桶水——如果水面完全平坦，那么桶就不会旋转，因为水会在桶的边缘上升，在桶的中部下降。如果你的望远镜没有相对于桶旋转(比如，因为你把望远镜粘在桶的顶部)，那么你可以得出结论，如果它看起来仍然在移动，那么这个环确实在旋转。
您也可能尝试通过在戒指本身进行实验来测试轨道旋转。这样做的一种方法是在环周围设置一系列镜子，以便您可以发光激光，并使镜子将激光反弹它。假设您要这样做两次，在环周围的两个相反方向上闪亮激光，然后测量每个方向的往返时间。如果环旋转，则在一个方向上围绕的光应该必须小于沿相反方向行进的光的距离，因为环将在与另一个方向相同的方向上移动，但不是另一个，而不是另一个方向移动。以这种方式测量旋转的设备被称为SAGNAC干涉仪。它们是高度敏感的，在导航中广泛使用。
然而，测量轨道旋转的第三种方法是使用陀螺仪，该陀螺仪是安装在底座上的轮，使得车轮可以自由地旋转围绕其自身可以相对于基座移动。陀螺仪测量取向变化，因为一旦车轮在某个轴线旋转旋转时，即使移动陀螺仪的底部，它往往继续旋转相同的轴线。例如，它们用于飞机，以测量平面态度的变化，并以智能手机检测手机的运动。陀螺仪可以类似地用于确定我们的环是否旋转，如下所示。将陀螺仪的底座连接到环，并将车轮设置在与环上切的轴线旋转。如果环旋转，则陀螺轮的轴线将相对于底座移动，因为底座将与环一起旋转。如果环不旋转，则陀螺仪的轴相对于基座（和环）保持静止。
在牛顿物理学中，所有三个测试都会同意。毕竟，他们都衡量了同样的事情：轨道旋转。但在一般相对性中，这些测试中的两项都在所有情况下都同意。这是一个强烈的暗示，即一般相对论的一般相对论，至少在我们习惯考虑它时，对描述“轨道旋转”相当答案。
理解这一点的关键在于爱因斯坦如何重新构想惯性。对牛顿来说，惯性是物体在没有外力(如重力)的作用下以恒定速度作直线运动的趋势。轨道旋转必然是非惯性运动形式，因为轨道不是直线。广义相对论的情况则完全不同。在那里，引力并没有使物体偏离它们的直线惯性轨迹，而是通过扭曲直线来发挥作用，其方式取决于宇宙中质量和能量的分布。这种扭曲被称为时空曲率。在广义相对论中，物体不是沿着默认的直线运动，而是沿着曲线运动，或者换句话说，沿着曲线运动最直截了当的弯曲空间和时间的线条。
惯性如何工作的这些变化可能会产生奇怪的后果。例如，如果一个大质量物体，如太阳或黑洞，在旋转时，它会扭曲周围的空间和时间，打破牛顿力学中惯性运动和直线非旋转运动之间的联系。这种现象被称为框架拖动它已经通过环绕地球的卫星进行了实验测试。
这是否意味着地球也一样呢不是在阳光下轨道？不是那么快。正如它所合作的那样，牛顿的理论为太阳系中的一般相对性提供了出色的近似，其中帧拖动的影响非常小。因此，出于所有实用目的，说地球轨道仍然是适当的。但是，麦满的结果表明是旋转是一个脆弱的概念。有更多的极端情况，例如跨越旋转黑洞附近的宇宙飞船，在那里询问船是否是轨道的黑洞，它只是没有意义。在这种情况下，黑洞可以扭曲空间和时间，这非常严重地旋转的概念突破。
James Owen Weatherall是加利福尼亚大学欧文大学逻辑和科学哲学教授。他最近的书是虚空:无的奇异物理(耶鲁大学出版社，2016)，探索了从17世纪到今天的物理学中空白空间的结构。他的网站在jamesowenweatherall.com。
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