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。找出其中哪一个反映了太阳系的真实运动，而不仅仅是表面运动，曾经是一个激烈争论的问题。
例如，17世纪的物理学家伽利略·伽利略因声称地球绕静止的太阳运行而被判犯有异端罪。他在软禁中度过了晚年。即便如此，他还是比乔达诺·布鲁诺（Giordano Bruno）要好，后者在1600年因其异端观点而被活活烧死，其中包括相信地球在移动。
我们都知道这个故事的结局。这把钥匙是由艾萨克·牛顿提供的，他17世纪晚期的杰作，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。他的理论表明也不太阳和地球都处于静止状态：它们都围绕太阳系的质量中心运行。但是由于太阳的质量如此之大，太阳系的质量中心非常接近太阳的中心，因此，从所有实际的角度来看，伽利略和布鲁诺都做对了。
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，只要牛顿的理论是正确的，他们就把事情做好了。今天，物理学家认为牛顿引力只是广义相对论的一个有用近似，广义相对论是爱因斯坦大约一个世纪前发展起来的一种不同的空间、时间和引力理论。事实证明，广义相对论中的轨道旋转比牛顿或20世纪之前的任何人想象的都要微妙得多。事实上，尔湾加利福尼亚大学的一位物理哲学家David Malament展示在广义相对论中，没有旋转的概念符合上面所描绘的基本图景。（充分披露：Malament是我在加州大学欧文分校的同事，在此之前，他是我的博士生导师。）
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。假设您位于环中心的轴上。拿一个望远镜，对准圆环，检查圆环是否移动。当然，要使其工作，你需要确保你和你的望远镜没有绕同一个轴旋转，因为在这种情况下，即使环没有旋转，环也可能看起来在旋转。你可以用一个简单的测试来证实这一点，牛顿最初提出：如果水面完全平坦，那么桶就不动了，水桶不会旋转，因为水会在桶的边缘附近上升并在中间凹陷。如果你的望远镜没有相对于桶旋转（比如说，因为你把望远镜粘在桶的顶部），那么你可以得出结论，如果环看起来仍然在移动，那么它确实在旋转。
你也可以通过在环上做实验来测试轨道旋转。一种方法是在光环周围设置一系列的反射镜，这样你就可以照射激光，让反射镜反射激光。假设你这样做两次，在环的两个相反方向上照射激光，然后测量每个方向上的往返时间。如果光环在旋转，那么沿一个方向旋转的光的传播距离应该小于沿相反方向传播的光的传播距离，因为光环的移动方向与光束的方向相同，但与光束的方向不同。以这种方式测量旋转的设备称为Sagnac干涉仪。它们高度敏感，在航海中广泛使用。
然而，测量轨道旋转的第三种方法是使用陀螺仪，陀螺仪是一个安装在基座上的轮子，轮子可以围绕一个自身可以相对于基座移动的轴自由旋转。陀螺仪测量方向的变化，因为一旦车轮开始绕某个轴旋转，它往往会继续绕同一个轴旋转，即使你移动陀螺仪的底座。例如，它们被用于飞机上测量飞机姿态的变化，也被用于智能手机上检测手机的运动。陀螺仪同样可以用来确定我们的环是否在旋转，如下所示。将陀螺仪底座连接到环上，并使车轮围绕与环相切的轴旋转。如果环旋转，则陀螺仪轮的轴将相对于底座移动，因为底座将随环旋转。如果环不旋转，那么陀螺仪的轴相对于基座（和环）将保持静止。
在牛顿物理学中，这三个测试总是一致的。毕竟，它们都测量相同的东西：轨道旋转。但在广义相对论中，没有两个测试在所有情况下都是一致的。这是一个强烈的暗示，在广义相对论中，没有任何东西能够完全符合“轨道旋转”的描述，至少在我们习惯于思考它的时候。
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，沿着曲线运动正直的曲线空间和时间中的线条。
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。这种现象被称为帧拖动它已经用绕地球运行的卫星进行了实验测试。
这是否意味着地球确实如此不绕太阳运行？别那么快。碰巧的是，牛顿理论为我们太阳系中的广义相对论提供了一个极好的近似，在太阳系中，框架拖动的影响非常小。因此，就所有实际目的而言，说地球绕太阳运行仍然是恰当的。但Malament的研究结果确实表明，轮换是一个脆弱的概念。还有一些更极端的情况，比如一艘宇宙飞船在一个旋转的黑洞附近移动，如果问飞船是否在围绕黑洞旋转，那就没有意义了。在这种情况下，黑洞会严重扭曲空间和时间，以至于旋转的概念被打破。
James Owen Weatherall是尔湾加利福尼亚大学的逻辑学和哲学科学教授。他最近的一本书是虚无：虚无的奇怪物理（耶鲁大学出版社，2016年），该书探讨了从17世纪到今天的物理学中的空白空间结构。他的网站可以在jamesowenweatherall.com上找到。
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主要形象由美国宇航局的马歇尔太空飞行中心．
