为什么引力波和光速都是299792458……m/s,是巧合还是必然?

2019-07-17  书蠹之家3...

稍微有点物理常识的读者都知道光速不因观察者而改变。

光速不变也是狭义相对论的基本预设,如果这个预设是错误的,那么相对论就不复存在了。

最早预言“光速不变”的是麦克斯韦,这一论述最早出现在1864年,他发表名为《电磁场的动力理论》的论文指出:电场和磁场已波的形式以光速在空间中传播。

虽然麦克斯韦的电磁理论预示着光速不变,但是由于麦克斯韦自身受限于以太学说,并不能深刻认识到光速不变是客观独立的。

麦克斯韦

在等效原理被提出之后。时空弯曲,引力波的概念应运而生。

广义相对论是和牛顿力学存在根本性矛盾的,不过弱引力场上,其应用结果与牛顿力学相差微弱。

而地球上,乃至整个太阳系都可视为弱引力场。所以牛顿力学依旧有重要的地位。

广义相对论和牛顿力学的根本性矛盾主要体现在下面

牛顿力学:引力是瞬时的(不含时),这种超距作用在以太中得以实现(以太是引力的传播介质)

广义相对论:引力的传播无需引入一个假象物充当介质,引力是非瞬时的,它的速度是光速,引力是时空弯曲的表象。

其实本质差异就无非两点:

【一】:引力不再是不能追溯因果的自然现象,取而代之的是有质量的物体弯曲了时空。

【二】:引力的作用被光速束缚,引力也无法突破光速,或者说引力的速度就是光速。

看到这里,有物理直觉的读者一定为追问:为什么引力的速度严格等于光速,这里面必然有更深层次的原因

在这里我必须声明:在天文实际测量中,并没有得到引力完全等于光速的结论,这其中最大的原因来自于误差。

引力的速度等于光速在理论上是相对论推出的必然结果,几乎所有科学家都认同这一结果。

在2017年8月17号,天文学家接收到1.3 亿光年外两个中子星合并分别发出的引力波和电磁信号。

按照科学家的预期,他们应先接收到引力波。

果不其然,在接收到引力波后的1.7秒才接收到中子星合并发出的电磁信号。

中子星合并的引力波和电磁波在长达亿年的时间尺度上传播,最后抵达地球只相差1.7秒,其误差在1:10∧15。

这种误差很好理解,因为星际物质不会延缓引力的传播,而会“延缓”光的传播。毕竟光在水中和空气中的传播速度都会比真空中慢。

这并不是说光速变慢了,其实光速并没有改变,只是计算速度的方式改变了。

光在穿过物质的时候会被吸收,核外电子吸收光子后,处于激发态又会释放光子。在吸收与被释放的过程中耽误了时间,而我们计算空气中的光速是按照传播距离除以时间,这样得出的光速自然就会变慢。

如果我们只是单纯计算一个光子的传播速度,那么它永远都是真空中的光速。

在推理引力的速度等于光速的内在原因时,我必须普及一下基本的物理常识

我们描述宇宙中绝大部分现象只需要用到量子力学和相对论就完全够用了。

前者涉足微观粒子,包括电磁力,强弱相互作用,后者主打引力。

广义相对论解释了质量、能量与时空的关系。

广义相对论产生了一种新的“辐射”—引力波。

引力波和电磁波虽然不怎么相关,但都是以光速传播

让我们先看看为什么电磁波是光速

我们日常生活中能看见或者仪器能接收到的绝大部分电磁波都是原子核外电子辐射出的结果。

不需要高深的量子力学知识,仅用电磁学定律我们就搞明白了。

核外电子相对于原子核质量很小,一个带负电的电子绕着带正电的原子核旋转必然面临一个棘手的问题,那就是电子在原子核外运动,会经历变化的电场,因此会加速。

加速的电子会辐射能量。失去能量的电子不可避免地会落入原子核中,这样以来原子结构就不稳定了。这也是卢瑟福原子模型的致命之处。

不过新的原子模型早已解决了这些问题,电子辐射的能量很多时候来自外界摄入。

今天我们讨论的是辐射出的能量到底以什么形式传播。

在经典电磁理论中

ε 0是描述在真空中两个点电荷之间的电力的基本恒定的介电常数。

μ 0可以想到作为与恒定电流贯穿其中限定在真空中由两个平行的导线所产生的磁力的恒定的渗透性。

当计算所产生电磁辐射的特性时,它表现为一个波,其传播速度等于1/(ε 0 μ 0)½,这恰好等于光速。

明白了电磁辐射的来源,我们就可以将这种思路套用在引力波的产生上。

地球绕太阳旋转,是小质量物体绕大质量物体作轨道运行,地球让太阳旋转会经历变化的引力场(其本质是时空曲率的变化),这种变化会导致一种携带能量的辐射发出。

这就是引力波的思想来源,十分类似电磁波的起源。

我们已经知道引力由时空曲率决定,而时空曲率取决于该空间的物质和能量总和。

想象一下:太阳周围的时空曲率导致系内行星绕其旋转,如果突然把太阳拿掉,原本太阳空间位置的时间曲率就变为平坦,从弯曲到平坦空间的过渡会以时空涟漪的形式传递下去。这就是引力波。

现在我们要用到狭义相对论的知识了,我们知道引力波和电磁波都没有静止质量。

而它们都携带能量,没有静止质量就意味着它们必须以光速传播。

为什么会这样?

之前我的专栏多次分析过这个问题。

在狭义相对论的基本公式中,都有洛伦兹因子。

比如时间质速关系公式 m=m0/(1-v²/c²)½。

1/(1-v²/c²)½就是洛伦兹因子

m0为物质的静止质量,可以看到静止质量不为0的物质(m0≠0)其速度v越接近光速c,其洛伦兹因子得出的数值越大,所以运动质量的增大就要求其维持加速运动所需的能量越大。

如果有静止质量的物质速度无限接近光速,那么其质量就无限大,那么用尽全宇宙的能量也不能维持其加速运动。

所以有静止质量的物质不能维持光速运动

而光子没有静止质量,所以质速关系已经不适应于光子的运动质量的计算了。

这时候就用核外电子辐射出光子的能量E=hν,再结合质能方程E=mc²,就可以推导出光子的运动质量m=hv/c²(h为普朗克常数,v为光子频率,c为光速)

根据狭义相对论,我们明显可以得出:没有静止质量的粒子必须以光速运动才能存在,否则就不存在。

虽然我们还没有找到引力的传播子—引力子,但是理论已经计算出引力子没有静止质量。所以引力子必须以光速运动。

这也是引力波必须以光速运动的最浅显的理解。

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