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引力的传播速度是光速吗?对光和力的思考!  

2013-05-30 09:18:43|  分类: 形态场动力学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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这个问题很有趣也很基本。可简单回答:在弱场背景下的引力波是按光速传播的

【一】

「弱场」,即场强很弱的场。

比如太阳系的引力场就是弱场,因为引力很弱;黑洞周围的引力场就是强场,因为引力很强。于是太阳系里引力的传播,就被称为弱场背景下的传播。而黑洞周围引力的传播,就不适用弱场的分析。

【二】

牛顿的万有引力公式不显含时间,所以牛顿引力是瞬间完成的,是一种「超距作用」。对此牛顿无法解释,故他从未对引力的起因提出过任何假设。

在这一点上,万有引力定律和静电场的库仑定律很相似,都是表明一个「源」怎样产生一个「场」。给定一个「源」——质量或者电荷,就在周围的空间瞬间产生一个场——牛顿引力场或者静电场。而一旦「源」消失,周围的场也瞬间消失。牛顿引力场和静电场都不能脱离源而存在。

在麦克斯韦之前,人们并不知道电场或者磁场是如何传播的。但库仑定律并不是电磁场的全部。于是等到麦克斯韦将库仑定律(对应高斯定律)、法拉第电磁感应定律、推广的安培定律等结合起来,得到了一个波动方程,人们才知道,电场和磁场都是以「波」的形式传播的,而且速度就是光速;最重要的是,电磁波可以脱离「源」而存在,而自由传播。

【三】

同样的事情发生在引力身上。

牛顿引力是关于「引力势」——一个标量场——的理论。而就像静电势是一个标量场,却不是电磁场的全部一样,标量的牛顿引力势也不是引力场的全部。

这一点直到牛顿之后三百年,才被爱因斯坦发现。

在爱因斯坦的广义相对论中,引力被一个张量场描述。一个物理的引力场有六个自由度:两个标量自由度,两个矢量自由度,两个张量自由度。而牛顿引力势,只相当于两个标量自由度中的一个

更细致的研究发现,在这六个自由度中,只有两个张量自由度才能自由传播——即满足无源的波动方程,且传播速度在弱场背景下正是光速。这两个张量自由度被称为「引力波」。而另外的标量、矢量自由度,不能脱离「源」而存在。这里的「源」,可以是「质量」,也可是张量自由度即引力波本身。

在真空中(比如地球太阳之间可近似为真空)不可能有产生引力场的「源」。于是在这其中唯一可以传播的,只有引力波。打个比方,引力波是汽车,真正在跑的只有引力波,而标量(牛顿引力势)、矢量自由度都是坐在引力波这个汽车上跟着动

【四】

回到引力如何传播的问题。

以地球如何感受太阳引力为例。一个更确切的图像是:太阳产生引力波,以光速传播到地球所在的位置;引力波传播的同时,也携带的另外四个自由度一起传播;最终在地球所在的位置产生完整的引力场(六个自由度),然后地球感受到这个引力场——当然,也包括牛顿引力势。

所以,即便太阳有一天突然消失了,我们也只是在8分钟后才看到天黑了;同样,在8分钟后才感觉地球突然被甩了出去。

麦克斯韦在1865年得到电磁波动方程,12年后赫兹证实电磁波的存在。遗憾的是,广义相对论诞生100年之后的今天,仍然没有直接探测到引力波。

目前测量引力传播速度的实验,通常是观测太阳、地球、月亮系统的重力变化,实际上只是观测牛顿引力势的作用时间。当然,因为牛顿引力势总是坐在在引力波这辆跑车上,所以也算是间接测量了引力真正的传播速度。

最后:最新的测定引力传播速度是光速的实验,是中国科学家作出的:

http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11434-012-5603-3

— 完 —

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为什么光速是恒定的?

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