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为什么引力速度必须等于光速?

时间:2020-09-17 16:03:59 点击:

  核心提示: 引力速度等于光速首先是来自广义相对论的推论,然后经过了大量的观测证实,而确立起来的一个宇宙基本规律。 引力传播的速度不像是光速那样,可以通过随处可见的可见光去测量,由于引力看不见也摸不着,并且十分微...

引力速度等于光速首先是来自广义相对论的推论,然后经过了大量的观测证实,而确立起来的一个宇宙基本规律。

引力传播的速度不像是光速那样,可以通过随处可见的可见光去测量,由于引力看不见也摸不着,并且十分微弱,所测量起来十分困难。


直到最近几年我们才通过双黑洞、中子星的合并发现了引力波的存在,以及测量的其速度,确实是广义相对论所预测的那样,和光速无法区分。

因此我们现在知道了,我们看到的太阳是8分20秒前的太阳,我们感受到的太阳引力也是8分钟前太阳所处位置的引力。

当太阳消失以后,我们不会立刻失去光明,地球也不会立刻不受控制的从自己运行轨道的切线方向飞出去,而是会持续的感受到8分钟的太阳引力。

因为现在地球感受到的引力是8分钟前的,此时此刻太阳的引力8分钟后才能达到地球。这就是我们现在所掌握的知识。

但引力的传播速度是多少?这是个古老的问题,从牛顿提出万有引力开始,引力这种类似于魔法一般的力量,一直被认为是拥有者无限的速度。

因为只有当引力的瞬时作用的时候,牛顿的引力方程才能准确的预测太阳系行星的运动轨道。

在牛顿力学中,空间和时间是孤立存在的,它们两个只是为万物的运动提供了一个平台,并不会参与和影响万物的运动。

相反万物的在空间和时间中的运动也会反过来作用到空间和时间上。就像是一个唱戏的舞台一样,演员在上面的表演不会影响到舞台,舞台只是给演员的表演提供了一个场所;

就算是没有演员表演,这个舞台也是可以孤立存在的。

所以这样的宇宙观,并没有限制物体在空间中的传播速度。光可以以无限的速度传播,引力也可以,任何信息都可以。

并且在牛顿的引力方程中,引力只跟两个作用物体的质量、引力常数、以及它两之间距离的平方有关系,这样的引力必须是无限的速度。

如果引力的速度是有限的就会存在一个问题,假如牛顿当时想到了引力等于光速,那么地球受到的引力就来自于8分钟前太阳所在位置的引力;

而不是太阳现在时刻所在位置的引力,如果你以8分钟前太阳位置的引力去计算太阳系各大行星的运行轨道的话,所得出来的结果,就与观测事实不相符。

只有引力的速度是无限的,那么地球就会感受到来自现在太阳位置的引力,而不是滞后于太阳现在位置的引力。

上图可以看到太阳在银河系中是以一个速度绕着银河系中心运行的,如果太阳给各大行星的引力不是瞬时作用的,那么各大行星感受到的引力就会滞后于太阳此时此刻的位置。

你想一下地球感受到的引力是8分钟前太阳所处位置的引力,那么这个引力不仅会给行星提供一个朝向太阳中心的径向加速度,而且这个引力还会在行星轨道运动的切线方向上提供一个分量,使得行星在轨道上运动总是有一个加速度。

因此行星的在轨道上运动的速度会越来越快,使得轨道变得不稳定,这种变化足以在数十年间被观测到,但是我们并没有发现行星的轨道运动发生如此的变化。

这就说明牛顿认为瞬时作用力是正确的!但是这样的假设也会存在一些问题,如果引力的作用是瞬时的,那么在宇宙中所用存在物质的引力就会瞬间互相叠加,变得无限大,整个宇宙也会不可避免的崩塌,宇宙膨胀也拯救不了宇宙,因为膨胀的速度是有限的,而牛顿的引力是无限的。

除此之外还会存在一个问题,如果光速是有限的,引力是无限的,那么我们常常都会感受到来自其他物体的引力作用,而看不到这个物体的存在。

这是因为这个物体的引力会瞬间作用在其他物体上,而它发出的光或者发射的光,才慢悠悠的在空间中传播,这种现象就会导致我们无法用任何的理论去解释太阳系天体的运动,因为总是有一股莫名的力量在干预着天体,而我们又看不到。

引力速度的无限,很明显又违背了现实的因果性。我们先看到了引力的结果,而原因却在慢吞吞的到来。结果出现在了原因之前。

所以说牛顿所说的引力无限虽然解决了它的引力方程对太阳系的描述,但也是有问题的。

这些问题就需要爱因斯坦更为本质的引力理论去解释。

我们知道狭义相对论的诞生比广义相对论早了近10年,在狭义相对论诞生以后就出现了很多的问题和牛顿引力不相容。

首先狭义相对论是不允许任何形式的信息传播速度超过光速,这就否定了无限速度的说法,而且狭义相对论认为物体的运动会改变空间和时间,也就是尺缩和时间膨胀效应。

这就为牛顿的引力理论提出了一个难题,物体运动时它的尺度会发生变化,那么你又是如何找准两个物体之间的距离呢?

狭义相对论还告诉我们能量和质量是等效的,物体运动过程中由于动能的增加,那么可以认为是其质量增加了,那么牛顿的引力方程中的质量又如何去确定?

所以种种的不融洽就需要爱因斯坦找到一个能够兼容狭义相对论以及牛顿引力的理论,也就是将引力纳入到相对论理论中。这就是广义相对论诞生的必要性。

为了解决上文中由于引力速度有限带来的行星径向加速度不为零的问题。爱因斯坦必须找到一个额外的效应来抵消行星径向方向上的加速度,使得行星轨道基本区域稳定,而不是随着时间的推移,行星轨道变得越来越大,直到飞离主恒星。

那么什么能抵消行星的径向加速度呢?其实就是引力辐射,引力辐射类似于电磁辐射,一个带电荷的粒子在绕着另外一个带电荷的粒子运动时就会发出电磁辐射。

同样的质量物体在绕着另外一个质量物体运动的时候,也会发出引力辐射,引力辐射会带走轨道能量,使得行星轨道发生衰减,这两种效果就能互相抵消。

根据爱因斯坦的预测,当引力辐射的速度恰好等于光速的时候,这两种效应就能几乎完全抵消。

所以说,引力辐射也就是引力的速度等于光速是广义相对论的推论,而不是我们随便的猜测。广义相对论也是引力速度等于光速的理论基础。

如果你承认狭义相对论以及广义相对论是正确的,承认这个现实世界的因果律,那么引力的速度也必须等于光速。

但是引力辐射导致的轨道衰减以及因为引力速度有限而导致的轨道增大,这两个效应并非完全准确的抵消掉了。

例如我们地球在未来还是因为引力辐射螺旋坠入到太阳的核心白矮星之中。不过这个时间非常的漫长,估计过个上万亿年也看不到这个现象。

不过我们在双星脉冲星系统PSR 1913+16中已经观测到这因为引力辐射发生的轨道衰减,两个中子星最终合并在了一起,并且我们通过对它们所发出的引力波的速度进行测量,发现引力的速度与光速相差无几,为光速的99.8%。

2017年我们不仅观测到了中子星合并产生的伽马射线暴,这是一种电磁信号,还发现了其发出的引力波信号,两个信号之间仅仅差了1.7秒。

光的信号稍微慢可一些,被认为是因为周围的气体环境导致信号延迟。这也是一个有利的证据证明了引力波的速度和光速基本一致。

由于我们现在对引力并没有量化,没有发现引力子的存在,但是科学家根据标准模型的预测表明引力子是一个无质量粒子,不仅仅是相对论,量子力学也预测其速度应该是光速。

作者:不详 来源:网络
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