引力的傳播速度是光速嗎?
如果是,那光都逃不出黑洞,引力是怎麼逃出來的?
這個問題很有趣也很基本。可簡單回答:在弱場背景下的引力波是按光速傳播的。
【一】
「弱場」,即場強很弱的場。
比如太陽系的引力場就是弱場,因為引力很弱;黑洞周圍的引力場就是強場,因為引力很強。於是太陽系裡引力的傳播,就被稱為弱場背景下的傳播。而黑洞周圍引力的傳播,就不適用弱場的分析。
(關於引力場,或者更一般地相互作用為何用「場」來描述,可參考這個回答:如何讓普通人理解物理學中「場」的本質?)
【二】
牛頓的萬有引力公式不顯含時間,所以牛頓引力是瞬間完成的,是一種「超距作用」。對此牛頓無法解釋,故他從未對引力的起因提出過任何假設。
在這一點上,萬有引力定律和靜電場的庫侖定律很相似,都是表明一個「源」怎樣產生一個「場」。給定一個「源」——質量或者電荷,就在周圍的空間瞬間產生一個場——牛頓引力場或者靜電場。而一旦「源」消失,周圍的場也瞬間消失。牛頓引力場和靜電場都不能脫離源而存在。
在麥克斯韋之前,人們並不知道電場或者磁場是如何傳播的。但庫侖定律並不是電磁場的全部。於是等到麥克斯韋將庫侖定律(對應高斯定律)、法拉第電磁感應定律、推廣的安培定律等結合起來,得到了一個波動方程,人們才知道,電場和磁場都是以「波」的形式傳播的,而且速度就是光速;最重要的是,電磁波可以脫離「源」而存在,而自由傳播。
【三】
同樣的事情發生在引力身上。
牛頓引力是關於「引力勢」——一個標量場——的理論。而就像靜電勢是一個標量場,卻不是電磁場的全部一樣,標量的牛頓引力勢也不是引力場的全部。
這一點直到牛頓之後三百年,才被愛因斯坦發現。
在愛因斯坦的廣義相對論中,引力被一個張量場描述。一個物理的引力場有六個自由度:兩個標量自由度,兩個矢量自由度,兩個張量自由度。而牛頓引力勢,只相當於兩個標量自由度中的一個。
更細緻的研究發現,在這六個自由度中,只有兩個張量自由度才能自由傳播——即滿足無源的波動方程,且傳播速度在弱場背景下正是光速。這兩個張量自由度被稱為「引力波」。而另外的標量、矢量自由度,不能脫離「源」而存在。這裡的「源」,可以是「質量」,也可是張量自由度即引力波本身。
在真空中(比如地球太陽之間可近似為真空)不可能有產生引力場的「源」。於是在這其中唯一可以傳播的,只有引力波。打個比方,引力波是汽車,真正在跑的只有引力波,而標量(牛頓引力勢)、矢量自由度都是坐在引力波這個汽車上跟著動。
【四】
回到引力如何傳播的問題。
以地球如何感受太陽引力為例。一個更確切的圖像是:太陽產生引力波,以光速傳播到地球所在的位置;引力波傳播的同時,也攜帶的另外四個自由度一起傳播;最終在地球所在的位置產生完整的引力場(六個自由度),然後地球感受到這個引力場——當然,也包括牛頓引力勢。
所以,即便太陽有一天突然消失了,我們也只是在8分鐘後才看到天黑了;同樣,在8分鐘後才感覺地球突然被甩了出去。
麥克斯韋在1865年得到電磁波動方程,12年後赫茲證實電磁波的存在。遺憾的是,廣義相對論誕生100年之後的今天,仍然沒有直接探測到引力波。
目前測量引力傳播速度的實驗,通常是觀測太陽、地球、月亮系統的重力變化,實際上只是觀測牛頓引力勢的作用時間。當然,因為牛頓引力勢總是坐在在引力波這輛跑車上,所以也算是間接測量了引力真正的傳播速度。
最後:最新的測定引力傳播速度是光速的實驗,是中國科學家作出的:Observational evidences for the speed of the gravity based on the Earth tide
發現還有人看到這個答案,稍微多說一句。
高票答案已經說了引力的一些情況,再擺公式也沒意思。
這個答案為了補充"光逃不出黑洞,引力是如何逃出來的"這個疑問。
打算了解一些來龍去脈的,推薦一本書《黑洞與時間彎曲》,這個比霍金的書更具科普意義,作者是基普.S.索恩,霍金寫的序,94年的版權,所以書中參考文獻相當「老舊」,但正因為老舊,才能了解來龍去脈。
另外,之前有部電影才想起這個作者,不過請不要根據電影的水平評價作者的水平。
在另外,書是先看了電子檔再收藏了紙質的。個人覺得,街頭藝人能夠得到大家的認可,這種需要作者多年積累和思索的綜述,也應該得到認可。至於某些人把30塊的書,翻版...精裝...限定...賣80...呵呵
有非常多的基礎概念,需要了解,這些概念接近真相,你得了解一下,才能討論
電磁漲落、真空漲落、黑洞的旋轉、黑洞的蒸發、黑洞的輻射,量子場,引力波
以上信息是環環相扣的,比如,你理解了真空漲落,才能理解黑洞的蒸發,因為黑洞的蒸發需要引入一些虛粒子,你才能知道黑洞的里的東西是以何種形式逃逸的
又比如,黑洞的視界和熵的關係,和熱力學的關係等等
由於涉及到量子場,你必須有量子力學和廣義相對論的基礎,最起碼了解測不準、普朗克長度和普朗克時間
上邊的廢話是20世紀末的水平,21世紀在此基礎上有很多新的認識,更接近真相。
以上概念百度應該都有,但如果此時你的疑惑沒有增加,比如微觀世界裡時間和空間較宏觀世界是怎樣的存在?時間為何不漲落?那麼我們可以認真的討論一下,更接近真相的引力是如何的存在以及如何傳播。
設想在日地系統的拉格朗日點上置靈敏的引力測量裝置,監測月球產生的引力擾動,然後定出極大極小點。如果引力是光速傳播的,極大值因該較極小值早大約兩秒鐘出現。不知現在測量精度夠不夠?
問題就是答案。
黑洞使空間扭曲,光沿著扭曲後的直線前進因此被俘獲。空間扭曲表現出來就是引力了。
對這個問題最好的回答應該是,引力的傳播是光速,光可以被引力束縛,導致黑洞周圍測地線封閉,光線傳不出來。但引力不能束縛自身,因為一旦假設引力波被束縛傳不出來,引力場就會變弱,進而導致引力波被傳出來,最終達到平衡狀態。
重力固體潮經典牛頓理論公式
引力有沒有速度?牛頓萬有引力定律認為,引力是以無窮大的速度傳遞的。但愛因斯坦認為,任何一種物理速度都不能超越光速,引力也一樣。百年來,物理學家們一直為這個問題爭論不休。日前,中國科學家宣布,他們發現在地球重力固體潮的經典牛頓公式中隱含著引力以光速傳播的假設,並由此找到了測量引力傳播速度的方法。
牛頓與愛因斯坦之爭:無窮大,還是光速?
任何兩個有質量的物體之間都會產生相互吸引的力,這就是萬有引力,簡稱引力。當物體的質量不夠大時,引力的作用不那麼明顯;當物體的質量足夠大,比如太陽和地球,引力的作用就不可忽視了地球的運行軌道、地球上的潮漲潮落,這一切都與引力有關。
1687年,偉大的物理學家牛頓發現了引力,並給出了計算兩個物體間引力大小的公式F=Gm1m2/r2。G是英國物理學家、化學家亨利·卡文迪許通過扭秤實驗測得的萬有引力常數,m1,m2是兩個物體的質量,r是兩個物體之間的距離。換句話說,引力的大小和兩個物體的質量成正比,和物體之間距離的平方成反比。
大家可能注意到,在這個公式中,沒有時間的概念後人解釋說,牛頓認為,引力傳播速度是無窮大的。簡單地說,就是不管距離有多遠,引力都能瞬間到達。
200多年後,又一位偉大的物理學家誕生了愛因斯坦。在他提出的複雜的狹義相對論中有一個觀點:光速,是一切物理速度的上限。也就是說,不可能有一種速度比光速更快,引力傳播的速度也不例外。
一百多年來,物理學家們一直為這個問題爭論不休。有人認為牛頓是正確的,又有人贊成愛因斯坦的觀點。還有折中派引力是有速度的,但太陽的引力場早在幾十億年以前就已經存在,因此並不存在傳播問題。但大多數科學家認為,這是一個物理學的基本問題大家都在期待最後的答案。
美國科學家與中國科學家的嘗試:射電波與固體潮
理論需要實驗來證明。然而這樣的實驗無法在實驗室中進行:一是因為光速太快,實驗室太小,無法用來測量引力速度;二是引力無法屏蔽,無法單獨測量兩個特定物體之間的引力。因此,百年以來,沒人能給出答案。
2002年,美國的兩位科學家柯佩金和弗馬龍利用木星擋住一顆類星體的機會,動用了美國和德國的射電望遠鏡陣,試圖發現引力的速度。
簡單地說,實驗的原理是這樣的:他們首先通過射電望遠鏡觀測和計算出這顆類星體的運行軌道,當木星運行到地球與這顆類星體中間、擋住類星體時,再用射電望遠鏡觀測和計算這顆類星體的運行軌道。
他們發現,類星體的運行軌道發生了變化,並認為這種變化是由木星的引力作用引發的。他們由此計算出引力的傳播速度:1.06倍的光速,誤差20%。
這是一個聰明而大膽的想法,但他們使用的儀器射電望遠鏡為結果埋下了「隱患」。國際引力物理學界質疑:他們測到的是射電波的速度,而不是引力的速度。兩位科學家無法解釋這一問題,這次嘗試只能宣告失敗。
中國科學家也在嘗試解決這一問題。經過十幾年的努力,中國科學家日前宣布,他們發現實用重力固體潮牛頓理論公式中隱含了引力以光速傳播的假定,並導出了引力傳播速度方程,最終獲得了「引力以光速傳播」的第一個觀測證據。
這是一群「既懂天文,又知地理」的科學家。文章的第一作者湯克雲是中國科學院地質與地球物理研究所和中國科學院國家天文台的雙聘研究員。在全部六位作者中,中國地震局地球物理研究所華昌才研究員和中國科學院大學的池順良教授都有幾十年的固體潮觀測和研究經驗。在觀測和研究固體潮的過程中,他們逐漸發現,實用重力固體潮牛頓理論公式中,已經隱藏著引力以光速傳播的假定。
創新:固體潮的「秘密」
湯克雲介紹,太陽和月亮對地球的引力產生了潮汐,「其實,固體地球在日、月引潮力的作用下,也會發生形變,這就是固體潮汐。」
一百多年來,大家在研究固體潮時有一個通用的公式「重力固體潮經典牛頓理論公式」。
以太陽為例,上面方程左邊的S(O,t)是在時刻t,在觀測點o觀測到的太陽潮,方程右邊是兩項之差:第一項是觀測點在時刻t受到的太陽引力場,或觀測點粒子相對於太陽的加速度,第二項是地心處在時刻t受到的太陽引力場,即地心相對於太陽的加速度,兩項之差則為位於觀測點的粒子相對於地球中心的加速度。特別注意,方程兩邊的時間相同,都是時刻t。這意味著,引力從太陽傳播到地面不需要時間。
但實際上,光從太陽到地球是需要時間的,大概為800秒,也就是5分鐘左右換句話說,我們所看到的太陽的位置(視位置),並不是太陽真正的位置(真位置),而是五分鐘前太陽的位置。
「你看,在實用牛頓近似理論公式右邊的位置不再是真位置,而是視位置,與視位置對應的時間當然早於觀測時刻。這就是說,根據實用牛頓近似理論公式,引力從太陽發出的時間早於引力到達地面觀測站的時間,即引力傳播是需要時間的,引力速度是有限的而不是無窮大。」湯克雲解釋說,「實用牛頓近似理論公式相當於認為太陽引力和太陽光都是從太陽的視位置發出。」
湯克雲說:「也就是說,我們在應用這個公式的時候,實際上就假定了引力的速度等於光速;這個假定對不對,要與觀測數據比。」進而湯克雲推導出了求解引力速度的方程。
接下來就是通過實驗來檢驗這種猜想了。
「在太陽系中,太陽和月亮對地球引力的影響最大,其他行星因為距離太遠,引力作用可以忽略。但月亮距離地球又太近,光線1秒左右就到地球了,距離近、時間短,相對誤差太大。因此,我們把研究的焦點集中在較遠的太陽上。」華昌才說,他們用重力儀直接測量太陽的引力,避免了美國科學家的失誤。「我們選擇固體潮最明顯的時間,比如農曆的初一、十五,還有日全食時;為了避免海洋潮汐的影響,我們選擇西藏、甘肅等遠離海洋的內陸地區;在計算中,我們還刨除了月球對地球引力的影響。」
這是一個複雜的過程。「我們最後得到的測量結果說明,愛因斯坦關於引力應以光速傳播的的猜想是正確的。我們計算過,誤差大概不超過5%。」
在湯克雲看來,一旦被證實,這就是一項「世界級的」重要發現。當然,任何科學探索的結果都需要反覆檢驗,湯克雲和他的團隊正期待著來自其他物理學家的檢驗,「被證實或被質疑,這都是科學進步的一部分。」
來源 :引力的速度:牛頓與愛因斯坦之爭 無窮大還是光速?(1)_光明視野廣義相對論中對引力的描述本來就不是一個力,愛因斯坦把引力描述成時空非平坦的表現,所以它並不是一個力。它的傳播也不需要用速度來衡量。你可以假設太陽從當前位置突然消失,她消失前最後一刻發出的光需要約8min才能到達地球,而太陽突然消失,質量也為0,那麼引力也要消失。如過引力傳播可以用速度來衡量的話,那麼在光從太陽的位置傳播到地球的8min中內,是什麼東西在維持原先的太陽引力。你可以參考一下時間簡史
靜態的引力場,只是空間中每個點的一個數值,不存在上限。黑洞事件視界處引力場強度無窮大。事件視界以內的引力場觀測不到,無意義。
引力的變化產生引力波,傳播速度為光速。引力波的確無法逃出黑洞。物體掉入黑洞時輻射的引力波,源頭都在事件視界以外。由於強烈的引力透鏡,引力波可以繞過黑洞,傳播到宇宙各個方向,而不會被黑洞本身遮住。
對於黑洞外的觀測者來說,所有構成黑洞的質量,都分布在一層殼上。而黑洞外的東西掉向黑洞時會逐漸變紅變淡(引力紅移)、逐漸減速壓扁(引力時間延遲效應)、慢慢貼在殼上,殼則隨之膨脹變大。黑洞可以被觀測到的一切事件,無論是霍金輻射、還是引力,源頭都在這層殼的外側。所以這層殼就叫做事件視界。
個人的理解是:1、引力並不是一種力,是空間中因為質量的存在對空間產生了扭曲作用,導致觀察者看到物體有相互靠近的趨勢,誤認為有引力的存在。太陽吸引地球圍繞其旋轉,其實是太陽的存在導致周圍空間發生的扭曲,地球在這個扭曲的空間中其實仍然是在直線運動,只是因為空間被扭曲了才表現為圓周運動。2、因為引力不是力,所以探討其傳播速度,無論用什麼方法都會自相矛盾。
是光速,如果太陽突然消失,地球也會照常運動幾分鐘後再飛出去
看完大家的發言小弟我遇到了幾個問題,希望各位能幫我解答,也希望大家能一起討論。
我想問下,引力能用場描述嗎?若光子在黑洞面前無所遁形,那引力場在黑洞面前能有所遁形嗎?黑洞對周圍造成的引力是怎麼跑出來的?有引力子嗎?光子跑不出黑洞那引力子能跑出來嗎?引力子跑不出來那黑洞又怎麼體現對外界的引力作用呢?
當前唯一能做解釋的是弦理論,認為本質上所有的力是同源的,實驗也在不停的驗證它的正確性,當然也提出了一些挑戰,不做細究。
所有的力均為閉弦,通俗的講就是所有能發生作用的物體都是連接在一起的…
如果太陽消失,地球受到的力會同時消失,不存在作用時間問題,答案一中所謂的場充其量是一種類似以太的概念,為了解釋而創造的東西,場是什麼?是物質么?
實名反對「引力光速傳播」這個結論和相關答案!!!
我們課題組驗證,本人也參與論證「引力光速傳播」這個理論,跟前文提到的發表論文的作者本人討論了很久,並利用固體潮理論數據,採用國家天文台提供的平太陽時,計算結果並不支持引力光速這個結論。最後作者本人也承認我們的結果。
就目前而言,這個理論也許是對的,但沒有令人信服的科學支持和數據驗證。並且,我們的計算結果表明,極有可能 引力不是光速傳播。
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題外話,作者文章是先投到國外被拒,最後好像是發表在 科學通報 上的吧,兩個院士審的稿,但兩個院士並非該專業人士。文章發表後在學術界引起很大爭論。中科院把國內業內專家召集一堂,特意公開討論,最後也是這個意見。
我們的主要研究方向不是這個,只是相關。
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答案中有提到引力波,查了一下資料,引力和引力波完全是兩回事!!!不是這個方向不敢妄言更多。
引力應該不是引力波
如果太陽的引力需要8分半才能到地球,(也就是接近於光速傳播),那麼,早在後牛頓時代,水星,金星,其它行星的軌道計算可能就不同了(牛頓力學可是把引力當作超距作用來計算的)
也許這個效應還不夠大.... 但是,地月距離38wkm,需要1秒鐘..... 那應該就會差了很多..... 雖然我不了解這一段的天文史,但我覺得,如果真有這麼大差異,應該是能被天文學家查覺的.....
或者,真心這麼認為的童鞋,天文方面的,可以去算算..... 擼一擼過去的老論文.... 按引力傳播需要時間來算,這簡直是混 paper 的最佳途徑....
貌似沒人這麼干.....
我認為引力不完全算是一種力,它只是時空彎曲的一種表現形式。大質量天體使其附近時空彎曲,帶動周圍天體圍繞其運動,即表現為引力,它的出現都是因為有質量那個「重心」和時空那層「膜」。引力的所有參數都取決於時空波動起伏的程度,引力波就是時空被「攪和」之後激起來的波,應該是按光速傳播的,不確定。
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現在確定了!哈哈哈!
個人觀點哈,引力不需要產生,所以就不需要傳播。引力隨物質而生,物質聚集的多,引力就互相疊加(才疏學淺不懂按什麼公式疊加的),即使形成黑洞,也不會有新的引力,所以沒有傳播這一說。
純個人感覺,勿噴,謝謝。
那麼,引力能不能被束縛呢?
我猜想 我們現在所生存的宇宙基本單位是 一維度 ,與弦理論裡面的 弦類似。維度是在不斷變化的,一維 變成了二維 變成了 4 5 6 7 9 3 維,不斷轉換,每一次的轉換,都帶來了震蕩 ,不穩定。維度的不斷轉換,誕生了我們的四維宇宙。 維度既不是 物質 也 非能量,但他是 物質與能量的本質,宇宙的基本本質。 引力是時空彎曲的表現,時空彎曲是 弦震動的表現。 可以想像一下, 宇宙就是充滿著弦 由弦(也可以說成 線 )構成的, 你看到的 茫茫太空 是震動緩慢的弦, 你看到的 有質量的恆星等星體,是震動劇烈的 弦, 因為在弦理論裡面介紹說,弦有個本質,震動越劇烈 質量 能量 相應也就越大 。。 我們可以用 弦 是宇宙的本質, 來簡單定義理解 黑洞 暗物質 反物質 蟲洞 量子泡沫時空 量子糾纏 等所有概念。
我對物理很感興趣,奈何書讀的少,完全看不懂你們在說什麼。
力的作用速度是無限的,而波的傳播速度有限的。→_→這樣就不會有矛盾了。無論引力波或者光波都一樣。
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