引力场的多普勒效应

启云_9137 2020-07-18

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　　（一）引力场不是保守力场。保守力场是当代物理学中的一个重要概念：质点在某的每一位置都受到大小、方向完全确定的力，称这空间为力场。若在内，力所作的功和路径无关，只与该质点运动的起点和终点位置相关，则该力场为保守力场。当代物理学认为引力场就是保守力场，那么，保守力场反映的实质是什么呢？

　　根据保守力场特性：在地球表面引力场对物体所做的功W＝mgh,m是物体的质量，g为物体在地球表面的重力加速度，h是物体在重力（引力）作用下移动的距离。在不考虑地球表面引力变化的情况下，不管物体的运动状态如何，只要物体从10米高的地方下落到地表，则地球引力一定对它做了功；物体从100米高的地方下落到地表，地球引力一定对它做了前者10倍的功。保守力场认为，不论物体的运动状态如何、也不管物体的运动路径是怎样的，只要物体在引力作用下移动（下落）一段距离，引力场就一定会对物体做功。伽利略从斜塔上抛下的两个不同质量的铁球同时着地就说明了物体在引力场中获得的加速度是与其质量无关的。通常情况下在地球表面重力加速度为9.8米每秒，物体在下落过程中每秒钟下落速度会增大9.8米。也就是说，保守力场是不考虑物体的运动速度的，只要物体在引力场中下落10米引力场就对物体做了10米的功、下落100米就做了100米的功、下落1000米就做了1000米的功……通常情况下这符合我们的生活常识，并且与实验结果相符，但是把这个常识推向极限问题就暴露出来了。

　　极限情况下我们提出这样一问题：引力场会不会把物体加速到光速以上？换种说法，如果一颗流星以光速向着地球运动，地球引力会不会把这颗流星加速到光速以上？这个问题不好直接回答，因为谁也没有见过超光速运动的物体，但是我们没有见过并不能证明超光速运动的物体就不存在。既然不好直接回答，我们不妨换一个角度来思考：当远处星系发出的光向着地球运动时，光子在地球引力作用下运动10米或者100米时其速度会不会增加？引力场会不会对光子做功？这个问题有两种答案：第一种认为引力场会对光子做功，则光子的速度将越来越大甚至超过光速；第二种认为引力场不会对光子做功，则光子的速度就不会超过光速，那么又是什么原因使引力场不能够加速光子或者说对光子的加速作用失效了呢？对于第一种答案来说，如果引力场能够把光子加速到光速以上，那么引力的传递速度至少在光速以上，但我们认为这种可能性很小，因为静电场也是保守力场，静电加速作用只能把带电粒子加速到无限接近光速而不可能超过光速，据此我们认为（推测）引力场也不能把物质加速到光速以上。现在，只剩下第二种答案了：引力场不能够加速光子或者说引力场不能够把光子加速到光速以上。引力蓝移现象表明引力作用可以加速光子、增加光子的能量，第二种答案就变成了引力场不能够把光子加速到光速以上。既然引力场并不能把光子加速到光速以上，则当光子以光速向着引力场运动1000米时，引力场将不再对光子做功，由此看来，引力场对物质所做的功和物质的运动速度有关，当物质的速度达到光速时，引力场将不再对物质做功，也就是引力场并不是保守力场。那么，引力场为什么不能把光子加速到光速以上呢？

　　（二）引力加速作用有极限值。先来看一个简单的例子，炮弹的发射是靠火药燃烧气体膨胀推动炮弹做功实现的，一般情况下在装药量不变的情况下增加炮管的长度就能够增加炮弹的初速度，但是当我们无限增加炮管的长度时并不能无限增加炮弹的初速度。稍微有点物理学常识的人都很容易理解：炮弹的发射速度不会超过火药燃烧膨胀的速度（因为超过这个速度膨胀的气体就不会对炮弹做功了），而这个速度一般为每秒4、5千米甚至是8、9千米，所以靠化学能加速的炮弹有极限速度，而要超越这个极限速度就需要改变炮弹的加速方式（比如电磁弹射）。实验表明：静电场对带电粒子的加速作用也有极限值，这个极限值就是光速，也就是说静电场不可能把带电粒子加速到光速以上。

　　　同样地，引力场的加速作用也有极限值，我们认为（推测）引力场的加速作用极限值是光速。在引力场中随着物体的运动速度越来越接近光速，引力场对物体的加速作用将越来越弱，当物体的运动速度达到光速时引力场将不再对物体加速。如果认为引力场对物质的加速作用没有极限，则从远处星系发出的光在到达地球表面的过程中会被地球引力不断加速，因为引力场是保守力场，所以光子只要从远处运动到地球表面其速度就会不断增加，照此推理在真空中以光速运动的光子到达地表时其运动速度就会超过光速，并且光子速度的增加没有极限值，随着光子离地球表面越来越近其速度也将越来越大，显然这是不可能的，也与观测事实不符。为了更好地理解引力场不是保守力场，我们引入'加速效率'这个概念，'加速效率'反映物体在引力场中运动了相同的距离时引力作用对物质加速作用的效率，如在地球表面物体每下落一秒速度增加9.8米，但随着物体运动速度提高，物体每秒速度增加值越来越少，反应出加速效率越来越低；当物体速度达到光速（比如光子在引力作用下运动）后则物体继续下落时速度不会增加，此时引力的'加速效率'为零，也就是说引力将不会继续对物体做功当然也就不能够继续加速物体了。如果物体以速度v沿着引力方向运动，则物体受到的引力大小与其速度之间有如下关系式（推导过程略）：

　　既然引力场的加速作用有极限值并且这个极限值是光速，那么可以认为传递作用的引力子（引力波）也是以有限的速度运动的，引力子（引力波）的运动速度也是光速而不可能超过光速。正因为引力子（引力波）是以有限的速度传递的，由此造成了很多有趣的现象：如引力场的多谱勒效应。

　　（三）引力场的多谱勒效应。我们都知道，声音在空气中传播时会产生多普勒效应--当声源向着测试者运动时听到的声音频率增大；当声源远离测试者运动时听到的声音频率就会变小。同样引力场也有类似的'多普勒效应'――在引力场中物体沿着引力场方向运动时其受到的引力将减小，物体逆着引力场方向运动时其受到的引力将增大。极限情况就是：物体以光速向着引力场中心运动则物体受到的引力作用为零此时物体不会被引力场加速，看起来就好像引力场不存在一样；反之在引力场中物体远离引力场运动时其受到的引力将增大。引力场的'多普勒效应'对于维护星系的平衡状态意义重大甚至可以说是维持星系平衡的决定性因素。

　　太阳和行星之间的引力不在它们的连线上。万有引力定律指出：两个物体间的引力作用在它们的之间的连线上，如太阳和行星之间的引力就作用在它们的连续上。两个相对静止物体之间的引力的确作用在它们的连线上，但是如果两个物体有相对运动则情况就不一样了。太阳和行星之间的引力就是如此，由于太阳有较大的运动速度，加之引力传递速度是有限的，在引力多谱勒效应的影响下造成太阳和行星之间的引力作用并不在它们的连线上。

　　引力场的多普勒效应使不在同一直线上运动着的两个物体之间的引力并不是作用于它们的连线上，简单来说就是当两个物体之间相对静止时引力作用在它们的连线上，当两个物体相向运动时引力将不在它们的连线上，并且两个物体的相对运动速度越大引力偏离它们的连线也越大。拿太阳系来说，由于太阳是时刻运动着的，所以太阳和行星之间的引力将使行星产生一个切向速度，这也正是牛顿认为的'上帝第一推动力'的来源。

　　如上图所示，太阳位于B点，行星位于A点。处于A点的行星围绕处于B点的太阳旋转，传统物理理论认为行星受到从A点指向圆心B点的引力作用，这个力的方向是由行星指向太阳的，所以也叫向心力。实际上由于太阳本身也在以很高的速度运动，根据引力场的'多普勒效应'，太阳对行星的引力作用实际方向为从A点指向C点的红色箭头所示方向，我们把这个力分别在切向方向和指向圆心的方向上分解（分别是向心力AB和切线方向力AD），可以知道这个力主要有两个作用：切线向力AD的作用是增加行星在切向方向上的速度，而向心力AB则提供行星围绕太阳旋转的向心力。由于太阳带着太阳系在三维空间中运动，实际上如果没有切向力AD，则所有的行星都会跟不上太阳的运动并最终被甩出太阳系，太阳的运动速度越大则对行星提供的切线方向力也越大，太阳的运动速度越小则对行星提供的切线方向力也越小，如果太阳静止，则引力场不存在多普勒效应，此时太阳和行星之间的引力作用在它们的连线上。