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引力的传播速度-转自《知乎》——作者:老董
送交者: wagen[♂☆★声望品衔8★☆♂] 于 2021-12-31 15:05 已读 25557 次 5 赞  

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关于引力的传播速度,这个话题,似乎成了理论物理学的禁区。一旦讨论这个问题,就难免陷入各种矛盾与悖论。在牛顿发现万有引力之前,很少有人注意到这个问题。
直到牛顿较为系统的总结了万有引力,牛顿认为:引力的传播不需要时间,也就是无论多么遥远,引力一定是瞬刻到达。在牛顿生活的那个年代,以及之后的大约两百年,人们的各种观测也支持牛顿这一观点,在计算天体之间的引力时,无论天体相距多么遥远,把引力传播速度看做无穷大也从来没有出过问题。不过,牛顿不能解释引力传播速度为什么是无穷大。
爱因斯坦认为引力传播就是光速,但仍有相当多的问题不能解释。爱因斯坦曾试图把引力纳入狭义相对论体系,但未能成功,以至于狭义相对论要把引力排除在外。只能把引力同其它的力区别开来,只能把引力看做时空的弯曲。我还是把“科普中国”关于狭义相对论相关内容摘抄下来:一切物理定律(除引力外)的方程式在洛伦兹变换下保持形式不变。爱因斯坦为什么要把引力排除在外,我没有查到相关资料,我猜测就是因为爱因斯坦对引力的一些特性包括速度的困惑。
被誉为“宇宙之王”的霍金先生倾向于认同牛顿的观点,认为引力效应要么瞬刻到达,要么比光速快得多。
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在讨论引力传播速度之前,先看最近几年关于引力波的两则重大进展:
1.美国国家科学基金会2016年2月公布2015年9月14日,LIGO科学团队与VIRGO团队首次探测到13亿光年之外两个巨大黑洞合并发出的“引力波”信号。
据此有人把这看做爱因斯坦关于引力波“神预测”的“伟大胜利”。我对这个消息持非常怀疑的态度,因为13亿光年距离太遥远了(约1.22×10^22千米)。据报道,这两个黑洞质量都大约是太阳质量的30倍,在这次黑洞合并事件中损失了大约3个太阳质量(6×10^30 千克),损失的质量变成能量。损失的这么些质量产生的引力波信号经过13亿光年的距离传播到地球。简单做个计算:在LIGO科学团队或者VIRGO团队的引力波探测仪器上空1千米处突然出现一只蚊子,这只蚊子的质量是千分之一克,(请“杠精”读者不要纠结于这个蚊子为何会飞这么高,以及这只蚊子为何会是0.001克,只当美国蚊子比较特殊就好了),13亿光年是1千米的1.22×10的22次方倍,黑洞损失的质量(3个太阳质量)是这只蚊子的6×10的36次方倍,因为引力跟距离是平方反比关系,通过计算,这只蚊子对引力波探测仪器的引力要比13亿光年外黑洞3个太阳质量损失造成的引力波强了七千二百八十多万倍!或者这样说:美国LIGO或者VIRGO的引力波探测仪器能探测到8500公里高空0.001克的质量损失!天空中有无数蚊虫飞鸟飞过,地底岩浆流动、近地空间有各种航天器、人造卫星、太空垃圾、太阳系有无数大小天体、小行星,这些东西都能产生引力,产生的引力扰动大多要比13亿光年外这个黑洞合并产生的引力扰动大得多。所有这些东西都能对IGO科学团队与VIRGO团队的引力波探测仪器精度产生影响,如何屏蔽掉这些无关引力扰动,把真正需要探测的13亿光年之外的引力波变化区别开来?这是个巨大难题。我通过资料看到他们屏蔽热辐射、各种噪声等,看到他们在屏蔽上面无关物体的引力扰动上面做的只是用计算机筛选。引力探测本已极难,引力屏蔽目前更无法做到,除非用频率筛选,那么请问蚊虫扰动、气流扰动等等这些扰动的频率与黑洞合并产生的引力波的频率有何区别?如何剔除无关扰动?何况我并未看到他们使用频率筛选。
如果觉得用8500公里外的一只蚊子形容那个黑洞事件不那么直观,我们再用另一种算法。先假定IGO和VIRGO的3000米长度仪器的悬臂质量是小于3万吨(真实数字我查不到,应该远远小于3万吨这个数据),13亿光年之外3个太阳质量变化对悬臂的引力变化是多少呢?按照万有引力公式,M=6×10^30 千克,悬臂m小于3×10^7千克,距离r=13亿光年=1.22×10^25米,万有引力常数
G=6.67×10^-11N·m^2/kg^2,
得到引力变化量F小于8.1×10^-23牛顿,一个鸡蛋重量大约是0.8牛顿,远远大于这个力的一百万亿亿倍。难道美国科学家就这么牛,能够排除各种干扰,把如此微小的一个力对成千上万吨的大家伙造成的影响从各种干扰中准确无误地找出来吗?
还有更重要的一点,哪怕IGO科学团队与VIRGO团队的仪器精密度足够,确实能测量到相当于8500公里之外一只蚊子大小的质量损失,但这些质量损失会不会以引力波的形式把信息传播出去还是个大问题。现代物理学认为(爱因斯坦也这么认为):质量和能量是等价的,能量是质量的另一种存在形式,反过来也是如此。那么,既然质量可以产生引力,IGO团队与VIRGO科学团队凭什么就能认为能量不能产生引力?黑洞合并损失的3倍太阳质量只是变成了能量(以光速)扩散开来,而不是凭空消失了,更不是被“上帝之手”推入或许并不存在的高维空间,又有谁能够证明质量产生的能量不会产生引力?如果能量不会产生引力,那么多科学家凭什么就能认为暗能量必定会产生斥力?如果能量也会产生引力,IGO团队与VIRGO科学团队这种方法测量引力波的理论基础将不复存在。哪怕真的有3倍太阳的质量损失变成了能量,产生的引力波的变化也要远远小于预估,这些13亿光年之外的引力波变化对仪器精度的要求会更高,高到令人发指,高到登峰造极,高到令人绝望!
所以我认为,他们观测到13亿光年外黑洞传来引力波这个事不靠谱。据报道,IGO科学团队与VIRGO团队的仪器精密度能达到测量出3千米长仪器上哪怕一个千分之一个质子尺度的距离变化,并且这样高精度的仪器建造了两台分别位于美国的东、西部,用以计算机筛选排除无关的引力干扰。对此我只能感叹:美国人真有钱。但是,这么筛选真的能完全排除无关的引力干扰呢?3千米长仪器上这么微小幅度的距离变化是否真的是由于13亿光年外的黑洞合并产生的引力波引起的呢?不管你们信不信,反正我是不信了。
我认为:IGO科学团队与VIRGO团队测量到的根本不是引力波信号!他们确实测量得到了“某种信号”,并且这种信号确实是13亿光年之外黑洞合并造成的,这无需怀疑,这么多科学家没有必要更没有可能在这个问题上造假。
那么,他们观测到的这个信号到底是什么呢?先举个例子:美国军方于1945年8月在日本广岛投下的原子弹爆炸当量是数万吨TNT。请注意,数万吨当量指的是相当于数万吨TNT爆炸产生的能量,根据质能方程,这么多能量的释放只造成了寥寥几克的质量亏损。几克的质量损失,造成的引力波变化在当年任何仪器也不可能测量到。但这些质量损失造成的爆炸威力(包括冲击波、辐射、高温等等)惊人。有鉴于此,我认为,IGO科学团队与VIRGO团队观测得到的所谓“引力波”信号其实是某种冲击波或者电磁波信号,这些信号而不是引力波信号才有足够的强度在13亿光年之外被检测到。如果13亿光年之外那次黑洞合并损失的质量确实是大约3倍太阳质量,根据质能方程计算,大约相当于广岛原子弹爆炸威力的10的33次方倍,也就是大约相当于10亿亿亿亿颗广岛原子弹爆炸。这种级别的大爆炸产生的某种冲击波或者低频电磁波被美国那俩科研团队误认为是引力波。
2.在2017年首次探测到的双中子星合并事件(距离地球约1.3亿光年)表明,这个合并事件产生的“引力波”抵达地球时,比合并事件产生的电磁波信号慢了微不足道的1.4秒(1.4秒这个数据可能不准确,我看到的数据有不同的版本)。据此,“爱粉”们确信引力波的传播速度就是光速。这个消息也应该是真的。同上面例1的分析相同,我认为这同样不是“引力波”,而是爆炸产生的冲击波或者低频电磁波。鉴于观测到的信号与电磁波信号几乎同时到达,我确信,这个信号就是较低频率的电磁波。至于这个信号为何比首次观测到的电磁波信号慢了1.4秒,有这样几个可能的原因:1.合并事件不止发生一次爆炸。2.高频波与低频波在合并事件中的位置有所不同。
退一步来讲,即使这两次观测的“引力波事件”真的是引力波引起。我认为引力波的速度跟引力场的传播速度也可能也并不是一码事,引力的传播速度要跟引力波或者引力场的传播速度区别开来。就像电路中电子的运动速度(很低)跟电流速度(肯定是光速)是两码事,引力波的传播速度跟引力场的传播速度也很有可能是两码事。单单从目前有限的的观测证据,就认为引力的传播速度是光速,还为时尚早。
爱因斯坦认为:宇宙中所有包含静止质量的物体运动速度不可能达到光速。据此有人得到推论:没有静止质量的能量体运动速度只能是光速,再引申一步,就是所有能量、质量和信息的传递速度不可能超过光速,再得到推论:因为引力没有质量,所以引力波的速度是光速。
上面那段话先放在那里,不考虑正确与否,但毫无疑问,引力或者引力波或者引力场的传播速度很快,如果引力的速度是有限的,为什么必须是光速呢?
再来谈谈光速,关于光速,有一条广为人知的原理叫做光速不变原理:光在真空中的传播速度不变,并且与光源或者观测者的速度无关。对于为何会有这个原理同样难倒了无数物理学家,比较权威的解释是根据麦克斯韦方程组推导出的:真空中光速的平方等于真空介电常数与真空磁导率之积的倒数。因为真空磁导率和真空介电常数都是常数,所以真空中光速只能是常数。讲的通俗一点,可以这样考虑:不存在绝对的真空,在所谓的真空中仍然存在一些各种粒子,光(电磁波)的传播其实是光子从一个粒子“跃进”到另一个粒子的过程,这些“跃进”的过程跟介质的磁导率和介电常数有关。这能解释通常越致密的介质,光传播速度越慢,反之则越快,真空最不致密,光在其中传播速度最快。既然如此,我有个设想:光在其它不同介质中的传播速度跟这种介质的介电常数和磁导率的关系是否与真空中具有相同的关系呢?经过查阅资料和计算,光在空气中传播的速度也大体等于空气的介电常数和磁导率之积倒数的平方根,而在水、酒精、玻璃、煤油等介质中不遵循这个规律。可见,光速很容易受介质影响,也很容易被介质阻挡,而引力不太容易受介质影响和阻挡,宇宙空间中不全是真空,光在宇宙空间中传播受到介质影响和阻挡,引力受到的影响要小得多。举个例子:光无法逃出黑洞视界,而引力不必如此。由此可见,引力不论是一种力还是“时空的弯曲”,都和电磁波有所不同,爱因斯坦又凭什么断言引力的传播速度一定要按照电磁波的光速传播呢?
至于引力的传播速度到底是神马情况?因为引力传播速度极快,至少和光速一个量级。引力又极其微弱,比其他几种基本力低了数十个数量级。引力又不容易被阻挡、反射和屏蔽,测量起来要比光速的测量要困难得多,只能通过一些间接手段来估测和定性。
下面我根据一些现象来估测引力的传播速度:
1. 量子力学认为引力是通过一种没有质量、永远相吸的假想粒子——引力子来传递引力的。黑洞一旦形成,光速运动的光子都无法逃逸,但引力依然存在。说明要么引力不是通过“引力子”来传播的,要么“引力子”的速度远远大于光速,要么引力不会影响引力子的传播速度。逃逸速度越大的黑洞,对同样距离处的引力也越强,如果“引力子”存在的话,说明引力传播速度是无限的。因为所谓黑洞的逃逸速度,在“引力子”的速度面前都不值一提。
2.广义相对论认为引力是“时空的弯曲”,以引力波的形式传播,引力波好比“时空的涟漪”。根据宇宙大爆炸理论、哈勃定律和天文观测结果:大约140亿光年之外,宇宙空间的膨胀速度大于光速,或者说140亿光年之外星系远离速度大于光速。既然空间膨胀速度可以大于光速,那么有什么理由认为“时空的涟漪”就必须是光速?
3.根据哈勃定律和天文观测结果,宇宙中相距140亿光年之外的两点之间远离的速度大于光速。如果引力的速度是光速,这就说明宇宙中所有物体的引力范围都是以它本身为球心,半径为140亿光年的一个巨大球体。这个球体以外的所有物质对它没有引力作用,既然如此,物理学家们为何会说:”引力是长程力,作用距离是无限远。”?如果引力的作用范围是140亿光年左右,那么140亿光年之外呢?是突变呢还是渐变呢还是慢慢变成斥力?与逻辑和观测结果都不符合。从这一点考虑,引力的传播速度极大可能就是无穷大。
4.光或者电磁波有多普勒效应。光源相对于观测者靠近,则光谱蓝移(频率增大能量升高),靠近速度越快,则蓝移越显著。光源远离观测者,则光谱红移(频率降低能量降低),远离速度越快,则红移越显著。如果引力波也是一种波并且以光速传播,也必然会有多普勒效应。然而从未看到有“引力波多普勒效应”的报道,这说明一个问题:常见引力源的速度与引力的速度面前不值一提!这就是说:引力要么速度远远大于光速,要么速度无穷大。为增加趣味性,还是举个例子吧:假设高速铁路边爬行着一头蜗牛,一列高速火车飞驰而过,我们可以认为火车跟蜗牛的距离跟火车车速有关,跟蜗牛爬行速度几乎无关。蜗牛逆着车速、顺着车速、无论怎么爬,都几乎不影响它跟火车的距离,也几乎不影响蜗牛跟火车之间的相对速度,也几乎不影响蜗牛接收到火车汽笛声频率的高低,因为蜗牛的速度相对于火车的速度而言是如此微小,以至于我们在这里忽略不计。现在我们把可怜的蜗牛变成一辆高速汽车,汽车和火车之间的距离、相对速度、接受汽笛声的高低无疑会明显同时受到火车、汽车速度的影响。上个例子与引力问题类比:火车相当于引力源,火车声相当于引力波,汽车或者蜗牛相当于接收者。如果引力源或者接收者的速度相对于引力的速度忽略不计,那必然造成引力波的多普勒效应不存在或者不明显。
5. 这里我大段摘录别人文章里的观点,因为我愿意以此表达对该文作者的敬意:“我们知道,日食是地球、月亮和太阳三者正好在一条直线上的时候,月亮遮住了太阳光而形成的天文现象。但你知道不知道,日食发生时,地球、月亮和太阳实际上并不是在一条直线上,而是比地、月、日实际连成一线的时间提前将近40秒的样子!这是怎么回事呢?原来由于地球顺着自转方向绕太阳公转,月亮顺着地球自转的方向绕地球公转,所以在地球上看起来,月亮和太阳的运动方向相同。月亮大约29.5天绕地球一圈,在这期间月亮会从地球和太阳之间穿过,有时就会造成日食。日食发生时,从地球上看,就是月亮追上太阳,并把它遮住,然后超过它。虽然月亮距离我们要比太阳近多了,是日地距离的1/400,月亮上的信息传递过来需要1.2秒多一点的时间。如果把这个时间忽略的话,在地球上看日食发生的过程是:月亮沿着太阳运动的方向移动,首先遮住的是8.3分钟以前太阳发出的光,于是日食就发生了,但这时实际太阳早就向前移动了,月亮并没有遮住它。经过大约40秒的时间,月亮就会追上太阳并遮住它,这时,月亮、地球和太阳才真正在一条线上。现在我们再研究一下日食发生的过程中的引力问题。在日食发生时,地球受到太阳和月亮的引力方向连成一线,它们对地球的潮汐作用会叠加,达到最大。但是,每次发生日食时,我们测量潮汐作用引力最大的时间,并不是日食发生的时间,而是退后大约40秒,与地、月、日实际连成一线的时间几乎同时。如果引力的传播速度是光速,那么地球上潮汐最强的时刻应该会提前40秒才对,但实际情况却不是这样。这说明,光的传播需要时间,而引力的传播却几乎不需要时间!
7.很多人听说过“光行差”这个词,在这里,我用较为通俗的例子说明这个问题:无风的情况下,雨滴总是垂直下落的,我们打着伞走在雨中,前胸总是比背后更容易淋湿,我们走的越快,雨水相对于我们的角度就越大,如果我们不动,则角度为零。地球无时无刻不在运动,星光、阳光相当于雨水,跟地球的运动方向总有一个微小的夹角。这个夹角跟光速和地球运动的速度有关。同样的道理,如果引力速度是光速(有限的),必然也会观测到“引力行差”,但从未看到过此报道,这说明引力的速度远远大于光速,极大可能就是无穷大!
综上:我认为引力速度远远大于光速,甚至就是无穷大。很荣幸的与人类历史上最伟大的科学家牛顿、“宇宙之王”霍金观点相同。 ​​​​

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