在宇宙中“引力波”比光速快10000倍你相信吗?
这个问题下真的是汇聚了各路“大神”,引力波的速度就是光速,哪里来的比光速快10000倍的结论?
万有引力定律最早由牛顿提出,但是牛顿并没有从本质上对引力进行解释。从牛顿的万有引力定律出发可以推出来引力是超距作用的,这一点牛顿自己也表示怀疑。
什么是超距作用哪?举一个简单例子:对于太阳和地球天体系统,如果太阳因外力瞬间消失,那么根据万有引力定律太阳的引力也就瞬间消失了,地球会立刻脱离原有轨道。
目前只有量子力学中的量子纠缠是超距作用,这个也被爱因斯坦称为鬼魅般的超距作用。这个速度是远超光速的。
爱因斯坦对于引力的解释爱因斯坦在1916年提出广义相对论,并基于广义相对论预言了引力波的存在,这是广义相对论洛伦兹不变性的结果。广义相对论的核心就是时空弯曲,而引力只是时空弯曲的外在表现。简单的理解就是:质量告诉时空如何弯曲,时空告诉质量如何运动。
这意味着天体的存在可以引起时空弯曲,如果天体加速运动那么就会产生时空涟漪,这种时空涟漪的传播速度为光速。也就是引力的相互作用是有速度的,即使是太阳突然消失,时空弯曲会以光速消失,大约八分半钟之后地球才会脱轨。
引力波在前两年也已经被发现了,发现者获得了诺贝尔奖。发现者之一是霍金的好友,也是《星际穿越》的科学顾问索恩。
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地球上的重力波动与外太空来的引力波是啥关系呢?
谢谢悟空邀请!
要回答这个问题,先要搞明白什么是重力波,什么是引力波。
引力波比较大众了,重力波对多数人来说可能还是第一次见到。两者虽然都与引力有关,但概念大不相同。
什么是重力波?在物理学上,重力波属于流体力学。是地球自转和公转以及地球引力的一种组合力,从而使空气发生振荡,因此它时常在地球大气层各角落出现,持续时间可以有几分钟~1小时。重力波可分为“表面波”和“内波”:表面波就是两种不同介质界面的密度跃变,比如水面和空气的交界面,常会看到起伏不平的水波纹,又称“表面波”;“内波”就是在一种介质内的密度连续性的波峰和波谷变化,比如空气、海水…
平时能看到的云海如果有一股气流冲入,就会引起云海翻滚,但有重力的平衡,会形成垂直度的波动,这就是重力波。
比如风遇到山峰时,会产生垂直向上的气流,越是高空,波动越大。
什么是引力波?
引力波很多人都知道了,就是时空的涟漪,由质量天体引起时空的扭曲,不断运动而向四周扩散的时空密度的连续分层变化。在宇宙中大量存在,这也是爱因斯坦的广义相对论里预言的。美国的激光干扰引力波观测站(LIGO)在2016年多次成功观测到这种时空涟漪。
总结:重力波和引力波是毫不相干的两个物理概念,重力波只存在于三维世界,引力波却最低存在于四维时空之中。
引力波形成的原因都有哪些?
这是一个物理学超难问题。广义相对论真没招,物理公理集有漏洞,漏掉了真空涟漪!
我先对引力场方程做个简要梳理,然后探讨引力波的机制与影响引力波的因素。
▲引力场方程揭示了引力的本质么?
一,广义相对论综述。
1.爱因斯坦说:自由下落的电梯为惯性参照系,物系人感受的引力为零。点评如下:牛顿认为:以绝对空间为惯性系,设抗衡力为F',引力为F,有三种情况:①F'-F=0(F'=F);②F=mg(F'=0);③F'-F=ma(F'>F)。爱翁认为:以自由落体电梯为惯性系,电梯电梯弹力与引力平衡:F'-F=ma=0。显然:爱翁多此一举。
2.惠勒:物质告诉时空怎么弯曲,时空告诉物质怎么运动。点评如下:①质量使时空弯曲:重力是核力的外延,是内外电子震荡推压真空介质的涟漪。②真空使物质运动:真空介质的涟漪,传播与影响物质的运动。
4.彭罗斯:光导致时空弯曲。点评:电磁振荡,推压真空介质涟漪,弯曲本质是涟漪。
5.场方程:引力场与参照系无关,与物系质量无关,而与空间曲率、能动密度有关。
6.退还原:在弱场、慢速情况下,引力场方程退化为万有引力定律。点评:宇宙真空场就是弱场,天体运动都是慢速,由此可见,似乎引力场方程是多此一举。
7.场方程有两种,A是否定真空介质的膨胀宇宙模式,B是承认真空的绝对宇宙模式。A式:Gμv=Rμv-½gμvR=(8πG/c^4)Tμv。B式:Gμv=Rμv-½gμvR=(8πG/c^4)Tμv-Λgμv。
8.引力张量Gμν,爱因斯坦模仿泊松方程▽²Φ=4πρ,或△φ=f,即(∂²/∂x²+∂²/∂y²+ ∂²/∂z²)φ(x,y,z) =f(x,y,z),△是拉符=哈符▽的平方, f 和 φ 可以是欧氏空间流形上的实数或复数值方程。f=0时是拉普拉斯方程△φ=0即∂²φ/∂x²+∂²φ/∂y²+∂²φ/∂z²=0,是不含时的椭圆型的线性方程。若无引力场:△Φ=0;若有引力场:△Φ=f,f是引力场质量分布,适合电场/磁场/热场分布。
9.里奇张量Rμν:是黎曼曲率Rμνρσ矩阵的迹。 R是曲率,R=g^λk*Rλk。
10.能动张量Tμν:张量与坐标系无关,无物理意义。四维4×4=16分量:①能量密度T00,②动量密度T/01/02/03/10/20/30,③应力张量T11/12/13/21/22/23/31/32/33。
11.度规张量gμv是含时流形的度量张量。对应数学场:d²s=Ad²t+Bd²r+Cd²θ+Dd²φ。ABCD是度规gμv分量,ds是空间弯曲微弧。
12.真空张量Λgμv是宇宙真空场,是物质场的斥力场。①若无宇宙项,ds随t增大,宇宙膨胀。②若有宇宙项,ds不随t变化,此时物质场与真空场平衡,宇宙是绝对空间。
小结:爱因斯坦放弃了宇宙真空场,而宇宙常数Λ其实就是涉及真空涟漪(暗物质暗能量)的常数。膨胀方程:(8πG/c^4)Tμv=Rμv-½gμvR的解释是:物质引力场=空间弯曲率。
二,关于“三引问题”的探讨。
为简单与突显起见,把涉及引力场-引力波-引力子的诸多问题,简称为“三引问题”。问题的切入点万有引力定律,问题的本质是真空涟漪,问题的全局是四种作用力的相互关系。
▲脉冲星发射宇宙线、电磁波、引力波。
三,万有引力定律的深度解读。
1.把引力改成F=Gmm'4π/(4πr²)=G'mm'/S,意思是:物系的引力大小,与引力强度系数G'成正比,与两物质量乘积mm'成正比,与引力场的比表面积S成反比。
2.引力场是涡旋场。引力来自质量积→质量积来自核子→核力涡旋延伸是万有引力源。
3.S越小越靠涡心,真空涟漪越密,有透镜红移效应。S越大越离涡心,真空涟漪越疏,有透镜蓝移效应。
4.引力强度系数G',与宇宙常数Λ呼应,取决于真空涟漪特性(m, λ)、引力场温度(T)、精密结构系数(α)。
四,引力场究竟是什么?
根据万有引力的分析,引力根源于核力。核力的能量空间分布随着力程R的延伸而延伸。
强力分布在核子内空间,电磁力分布在核子外空间,弱力分布在原子外空间,引力在原子的远外空间。
设1个真空涟漪量子质量为m0,核子质量为m,涟核比β=m0/m,精密系数α=1/137,电子第1,2轨道速度分别为v',v''。统一动力学公式如下:①F强力=hc/(2πR²),②F电力=αF强力,③F磁力=(v'v''/c²)F电力,④F弱力=β³F强力,⑤F引力=2β³F电力。
单核引力:F1=4(m0/m)³αhc/(4πR²),n核引力:Fn =4(m0/m)³αhcn/(4πR²)。地球引力:F地=4(m0/m)³αhc(m地/m核)/(4πR²)。
引力七要素:①涟漪质量m0=1.26e-39kg;②核子质量m=1.66e-27kg;③精密结构系数α=1/137,与核外电子的v'有关;④普朗克常数h=6.63e-43;⑤涟漪光速c=3e8m/s;⑥地球核子数n=m地/m;⑦引力场半径R,或R层表面积。最重要的是“涟漪-核子-半径”三要素。
五,引力波究竟是什么?
从地球引力公式可见,引力波是不同R层的一层层的球面波。场半径越来越远,引力波越来越弱,此称“R红移”。当太阳光接近地球时,其波长会被地球引力拉长,发生“引力红移”;当太阳光远离地球时,恢复到红移前的频率。
▲LIGO实测红移后的引力波(50~500Hz)。
六,引力子究竟是什么?
这是科学界的一团迷雾。我认为,既然引力归根结底源于核力乃至电磁力,或者说,来自核内高能电子与核外电子的谐振子震荡,此震荡推压或激励真空涟漪升频。
因此,引力波就是一种升频的真空涟漪,简称“升涟漪”。而引力子不过是一种“升涟子”。其实,电磁波也是一种“升涟漪”,光子是一种“升涟子”,而红移光子是一种“降涟子”。
▲这幅引力子投影图可靠么?好用么?
根据宇宙微波背景辐射的测量参数,可以认为背景微波,就是一种真空涟漪,是极弱的引力波与电磁波的混频涟漪。1涟漪子或引力子,就是上文提及的m0=1.26e-39kg。
天文学家发现了一个似乎是由黑洞吞噬中子星引起的引力波信号。除了见证一场令人难以置信的宇宙大灾难之外,这次探测还有一个重要意义:它可能是引力波存在的三种成因的最后一个。
引力波是时空结构本身的波纹,它们是由宇宙中一些最具能量的事件产生,诸如黑洞等大型物体之间的碰撞。尽管爱因斯坦早在一个多世纪前就预言了它们的存在,但一直到2015年它们才被直接探测到。
在那之后,由于像LIGO、Virgo这样专门建造的探测器又有数十个信号涌入。这些发现大多都是两个黑洞碰撞的结果,但也发现了两颗中子星相互撞击产生的波,天文学家通过光学望远镜观测到这些光。
然而迄今为止,还有第三种类型的事件没有被探测到,即黑洞吞噬中子星。现在,天文学家非常确定他们已经找到了确切的答案。
8月14日,LIGO和Virgo探测到了来自9亿光年之外的引力波。虽然单凭这一点并没有什么不同寻常的,但在这种情况下,这些物体的大小表明其是人们难以捉摸的中子星/黑洞合并(NSBH)。
为了弄清楚究竟是哪种合并,天文学家通过分析引力波数据估计出碰撞中每个物体的质量然后弄清楚它们分别是什么。如果两个物体的质量都在1到3个太阳质量之间,那么它们很可能是中子星。如果两个黑洞的质量都大于5个太阳质量,那么这个事件很有可能跟两个黑洞有关。
但在上周三的探测中,一个物体的质量超过了五个太阳质量,而另一个物体的质量却低于三个太阳质量。这在很大程度上表明了这是一个黑洞和中子星的碰撞。
如果这听起来似曾相识,那是因为今年4月的时候也曾发生过类似的探测。虽然当时这一事件也是一个NSBH候选者,但不幸的是,这个信号非常微弱,天文学家只给出了13%的可能性。相反,它更有可能是两颗中子星的碰撞,该比例高达49%。
而对于这一新的发现,科学家们则要肯定得多。据LIGO称,这是一个NSBH事件的可能性比例大于99%。当然这还需要通过进一步的分析来确定这两个物体的确切尺寸。
尽管如此,该事件还存在另一种可能,那就是微小黑洞的碰撞。
由于科学家迄今还未发现过质量比5个太阳的黑洞,也从未发现过比2.5个左右太阳大的中子星。对此,该项研究首席调查员Susan Scott教授表示:“基于这一经验,我们非常有信心刚刚探测到的是一个黑洞吞噬了一颗中子星。不过也有一种微小但有趣的可能性,那就是被吞噬的物体是一个非常轻的黑洞--比我们所知宇宙中任何其他黑洞都轻得多。”