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为什么引力波和光速都是299792458...ms,是巧合还是必然?

www.xenovz.com2019-07-16
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具有一点物理知识的读者知道观察者不会改变光速。

恒定的光速也是狭义相对论的基本前提。如果这种预设是错误的,那么相对论将不复存在。

“光速恒定”的最早预测是麦克斯韦。这个论点首次出现于1864年。他发表了一篇题为《电磁场的动力理论》的论文,指出电场和磁场的形式在光速下在太空中传播。

尽管麦克斯韦的电磁理论表明光速不会发生变化,但由于麦克斯韦受到以太理论的限制,人们无法深刻认识到光速是客观独立的。

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麦克斯韦

在提出等效原则之后。时空弯曲,引力波的概念应运而生。

广义相对论与牛顿力学基本上是矛盾的,但它的应用结果与弱引力场中的牛顿力学有很大的不同。

地球,甚至整个太阳系,都可以看作是一个弱的引力场。因此,牛顿力学仍然具有重要地位。

广义相对论与牛顿力学之间的基本矛盾主要体现在下面。

牛顿力学:引力是瞬时的(不包括时间),这种超范围效应是在以太中实现的(以太是重力传播介质)

广义相对论:引力的传播不需要引入人工制品作为媒介。重力是非瞬态的。它的速度是光速,重力是时空弯曲的外观。

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[1]:重力不再是无法追踪因果关系的自然现象。相反,大众物体会弯曲时间和空间。

[2]:引力的作用受光速的束缚,引力不能突破光速,或者引力的速度是光速。

看到这里,具有身体直觉的读者必须要问:为什么重力的速度严格等于光速,并且必须有更深层次的原因。

在这里我必须声明,在天文学的实际测量中,没有结论是引力完全等于光速。最大的原因是错误。

重力速度等于光速。从理论上讲,这是引入相对论的必然结果。几乎所有科学家都同意这一结果。

2017年8月17日,天文学家接收了130克光年的两颗中子星,并结合了引力波和电磁信号。

根据科学家的预期,他们应首先接受引力波。

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果然,中子星发射的电磁信号在接收到引力波后仅1.7秒就被接收到。

中子星的引力波和电磁波在数亿年的时间尺度上传播。地球的最终到达时间仅为1.7秒,误差为1:10∧15。

这种误差很好理解,因为星际物质不会延迟重力的扩散,而是“延迟”光的传播。毕竟,光在水和空气中的传播速度比在真空中传播的速度快。

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这并不是说光速已经放慢了。事实上,光速没有改变,但计算速度的方式已经改变。

光在通过材料时被吸收,在电子吸收光子后,激发态释放光子。在吸收和释放的过程中,时间丢失,我们计算空气中的光速除以行进的距离,这样光速自然会减慢。

如果我们简单地计算光子的传播速度,那么它将始终是真空中的光速。

我们描述宇宙中的大多数现象只需要使用量子力学和相对论就足够了。

前者涉及微观粒子,包括电磁力,强弱相互作用,后者主要是引力。

广义相对论解释了质量,能量和时间与空间之间的关系。

广义相对论产生了一种新的“辐射” - 引力波。

虽然引力波和电磁波不是很相关,但它们是以光速传播的

我们在日常生活中可以看到的大部分电磁波或者仪器可以接收的电磁波都是从原子核发出的电子的结果。

我们不需要深入了解量子力学,我们只能用电磁学定律来理解它。

核外电子相对于核具有小的质量。带正电的核周围的带负电的电子的旋转必然是一个棘手的问题。电子移动到核外并经历变化的电场,电场加速。

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加速电子辐射能量。失去能量的电子不可避免地落入原子核中,原子结构不稳定。这也是卢瑟福原子模型的致命方面。

然而,新的原子模型早已解决了这些问题,电子辐射的能量通常来自外部。

今天我们谈论的是辐射能量的形式。

在经典电磁理论中

ε0是基本恒定的介电常数,描述真空中两点电荷之间的电功率。

可以想到0 0是通过由恒定电流限定的两条平行线产生的磁力的恒定磁导率。

当计算所产生的电磁辐射的特性时,它看起来像一个传播速度等于1 /(ε0μ0)α的波,它恰好等于光速。

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了解电磁辐射的来源,我们可以将这个想法应用于引力波的产生。

地球围绕太阳旋转。它是一个绕着大块物体运行的小质量物体。地球使太阳旋转并经历一个变化的引力场(其本质是时空曲率的变化),这导致一种携带能量的辐射被发射。

这是引力波的来源,非常类似于电磁波的起源。

我们已经知道,引力是由空间和时间的曲率决定的,空间的曲率取决于空间中物质和能量的总和。

想象一下,太阳周围的时间和空间曲率会导致内行星围绕它旋转。如果太阳突然被移除,则原始太阳空间的时间曲率变得平坦,并且从弯曲到平坦空间的过渡以时间和空间的形式传递。这是引力波。

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现在我们需要使用狭义相对论的知识。我们知道引力波和电磁波没有静态质量。

它们都带有能量,没有静态质量意味着它们必须以光速行进。

我以前曾多次分析过这个问题。

在狭义相对论的基本公式中,存在洛伦兹因子。

例如,时间 - 温度关系式m=m0 /(1-v2/c2)≤。

1 /(1-V2/C2)?是洛伦兹因子

M0是物质的静态质量。可以看出,静止质量的质量不为零(m0≠0)。速度v越接近光速c越大,洛伦兹因子得到的值越大,因此需要提高运动质量。维持加速运动所需的能量越大。

如果具有静止质量的材料的速度无限接近光速,则其质量是无限的,并且整个宇宙的能量不能维持其加速运动。

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因此,静态质量的物质不能保持光的运动速度

光子没有静态质量,因此质量 - 速度关系不适合计算光子的运动质量。

此时,由核外电子发射的光子的能量E=hν与质量方程E=mc2结合,光子的质量为m=hv/c2(h是普朗克常数,v是光子频率)。c是光速)

根据狭义相对论,我们可以清楚地得出结论,没有静态质量的粒子必须以光速存在,否则就不存在。

虽然我们没有找到重力传播器,引力,但理论已经计算出重力没有静态质量。因此,重力必须以光速移动。

这也是引力波必须以光速移动的最简单的理解。

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