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1.研究引力傳輸速度的思想實驗
在牛頓引力理論中,引力被認為是即刻作用在質量體所在空間的四周。比如說太陽引力不需要傳輸時間就作用在各行星上。但也有人猜想引力需要傳輸時間,其傳輸速度像光速一樣是有限的。圖1.所示是一個研究引力傳輸速度的思想實驗。這是為了證明引力傳輸速度是有限而設計的。
我們都知道太陽系裡的各行星是受太陽引力的約束而繞太陽公轉運動。設想有個神靈在某個瞬間把太陽拿走,太陽系裡的各行星就會因為失去太陽的引力而脫離原有軌道,不再沿規則的橢圓軌道運動。
我們還知道光速是有限的。太Sunny從發出到抵達地球需要近8分鐘的時間。在太陽被拿走後的近8分鐘的時間裡,我們會看到太陽還在原來的位置。如果引力是即刻傳輸的,我們一定會先發現地球或其它行星脫離了軌道運動,後看到太陽消失的現象。相當於在近8分鐘的時間裡,人們會觀測到行星不按牛頓引力理論運動的現象。
縱觀廣袤的宇宙,人們從沒看到過有天體不遵守牛頓理論的運動。因此設計和討論這個思想實驗的人一般就這樣認為:要麼各天體的橢圓軌道運動和太陽引力無關,當然這是不可能的。有可能的就是引力的傳輸速度有限,而且不超過光速(或者等於光速)。這樣才觀測不到有天體不遵守牛頓理論而運動的現象。由此得出引力傳輸速度是小於或等於光速的結論。
圖1.
我們稍加分析會知道,這個思想實驗不能說明所謂的引力傳輸速度小於或等於光速。首先,引力概念是否確切?引力是否有傳輸速度的概念?這個思想實驗都不能回答。即使引力和引力速度的概念是確切的,這個思想實驗也不能證明引力傳輸速度是小於或等於光速。
如果我們觀測到某行星脫離了本來的執行軌道,同時還能肯定我們看到的太陽是8分鐘之前留下的虛像,我們大概可以肯定引力傳輸速度大於光速。這樣說明引力傳輸速度大於光速也合乎邏輯。
我們沒有觀測到這些,只是還不能斷定引力傳輸速度會大於光速。卻不能以此證明引力傳輸一定小於或等於光速。大於光速和小於等於光速是兩個互不相容的概念,我們不肯定實驗結論符合其中之一,能肯定它符合另一個嗎?我們沒能證實某個存在之前,不意味著可以肯定或可以否定這個存在,更不能去肯定另外一個存在。可見這個思想實驗不能證明引力傳輸速度是小於或等於光速,更不能說明引力有傳輸速度。設計這個思想實驗來討論引力傳輸速度的問題,在形式邏輯上行不通。
2.引力概念問題
所謂引力和電力、磁力等都是相類同的概念。物質間存在著各種相互作用,對這些相互作用強弱的一種描述我們就稱作是各種力,但力只是一種表徵抽象(一種初始抽象)。力本質上是物質間相互作用在某個空間方向的梯度,必須是相互作用。所謂萬有引力就是質量體連線方向上物體相互作用的梯度。所有力也都是物質間相互作用的空間梯度。任何力都不會存在於物質間的相互作用以外。物質之間普遍存在相互作用是自然界存在的最基礎事實,而且是沒有存在理由的事實。我們可以用其它邏輯概念來代替力,卻不能定義比相互作用更基礎的概念。
牛頓力學理論和幾何光學理論類似,是一種研究自然規律的表徵抽象理論。幾何光學在很多場合顯得非常簡單和有效。但是我們知道,光是一種電磁波,光線只是電磁波某種傳播方式的圖形化描述。在普遍情況下,電磁波的特性是不能簡單用光線來全面描述的。一樣在分析物質間的相互作用時,牛頓力學和其它力學理論採用圖形向量化的分析方法也非常有效和方便,但力只是物質間相互作用的一種表徵抽象,並不是物質間相互作用的全體描述,物質間相互作用還會有出現其它物理效應。更不能在邏輯上認為力是物質間存在相互作用的原因。
3.引力傳輸速度問題
力是物質間相互作用的空間梯度,所以力沒有獨立運動和運動速度的概念。電力、磁力都一樣,都沒有傳輸速度的概念。這和波不一樣,波是介質物中相互作用的空間變動現象。一般介質體都可以看作是由無數質點因相互作用聚合而成。其中相互作用狀態的改變會引起質點空間位移變化,因質點位移又會引起相互作用新狀態。任何空間位移都需要時間,波就有傳輸速度的概念。與一般介質中的波相類比,電磁波可能也是某種介質中相互作用狀態發生空間變動帶來的現象,但目前還不能解釋這種特殊介質內狀態變化為何需要時間。
當空間只有兩個理想的質點,討論它們的相互作用時,我們不能認為它們之間的所謂引力有傳輸時間。討論多個質點或一般質量體之間的相互作用時,尤其是考慮了質量體運動時,宏觀效果上就會等效出所謂的引力傳輸時間,這種所謂的傳輸時間是可以觀測的。也就是說,宏觀效果要出現所謂的引力傳輸速度。
考慮一個實際的質量體,它可以看作是由無數質點組成。這無數質點之間存在著各種相互作用。不然的話,它們就不會聚合成一體。質點間的相互作用保持著各質點空間位置的靜態平衡或動態平衡。在空間不遠處再引入另一個質量體時,就會引起原質量體內部各質點間相互作用狀態的改變。比如會出現質點的空間位移、位置變動。質點位移總是需要時間,因此觀測實際質量體間的相互作用,一定可觀測到這種相互作用的時間延遲效應。所謂的引力作用就會因物體內部各質點的空間運動而產生等效的宏觀延遲效應。我們會觀測到和認為存在有所謂的引力傳輸速度。
4.引力作用範圍和引力波
引力是關於物質間相互作用的初始抽象。這些相互作用是天生的,沒有存在理由的。那麼質點間存在相互作用的空間範圍有多大呢?應該是無窮大。當不斷連續增加一個質點的質量,它和遠處另一個質量體的相互作用就不斷連續增強。從這裡我們就可以看出引力的作用範圍是無限大的。如果相互作用範圍有界,那麼無論怎麼增加它的質量,它和足夠遠處質量體的作用都不會再增強。如果相互作用範圍有界,當宇宙中的兩個質量體運動到作用界限處就會突然出現相互作用或突然消失這種作用。若討論的質量體是地球,遇到這種情況,地球就會突然發生形變,甚至整體被瓦解,其它天體也一樣。而且人們將看到宇宙中有無數天體因此原因會突然改變運動路徑或運動方向。
質點間相互作用範圍無窮大,意味著宇宙中任何質量體都在相互作用著,只是相互作用的強度大小不同。相距遙遠時,相互作用可以忽略。我們所觀測到的天體運動規律是由近處質量體的相互作用所主導的。因為相互作用距離無限大和連續性,個體的運動必然是連續的。因為天體運動或空間位置的改變需要時間,而位置改變又帶來新的相互作用,天體間相互作用就有時間效應。宏觀上看,所謂天體間的引力作用和波的傳播機制在這裡完全相同,實際觀測到的所謂引力有波的傳播特徵。在某個空間位置觀測到的這種效應大概可以稱作是引力波。
5.引力傳輸速度的大小
前面談到物體內部所有質點都在相互作用著,相互作用涉及所有質點和它們的相對空間位置。如圖2. 所示,左邊質量體內各質點的平衡位置和右邊的質量大小相關。可以想象,太陽和地球相互作用會引起地球內部所有質點相互作用及空間位置的變化,這種變化的宏觀效應可以在地球表面用絕對重力儀觀測到。由於日、地、月相對位置的週期性改變,地球內所有質點間的相互作用也在呈週期變化,這就產生了所謂的固體潮現象。海潮是質點大位移的現象。
圖2.
聲波在物體中傳輸是因為物體中各質點的相互作用和位移變化效應。如圖3.所示,質點振動方向和波的傳播方向相垂直稱作橫波,振動方向和波的傳播方向平行稱作縱波。無論哪種波都要依靠質點和質點間存在的相互作用才能完成傳播。物體間所謂的引力作用也引起物體中各質點的相互作用和位移變化。其中質點相互作用和位移變化和聲波傳輸的情一樣。因此我們可以這樣猜想:物體之間所謂的引力傳輸速度總小於或等於物體中的聲波速度。當物體中有類似出現海潮時的大質量體、大位移運動變化時,可觀測的所謂引力傳輸速度還要低很多。如果物質中各質點沒有相對位移變化,或者說各質點是剛性連線的(物體是剛體),那麼所謂引力效應是即時的,沒有傳輸時間;所謂聲波也變成是整體振動,或者說聲速無窮大。
圖3.
6.結論
人們從沒看到過有天體不遵守牛頓理論的運動,不是因為引力傳輸速度小於或等於光速。而是因為沒有神靈會把太陽拿走並讓其即刻消失。
如果有某種方式讓太陽與各行星之間的相互作用變小,小到可以忽略;同時各行星和別的物體間的相互作用增強,超過了和太陽間的相互作用,太陽才會離我們而去。我們在太陽離開我們前後觀測到行星運動還是符合牛頓理論的運動。差別僅僅是和行星有相互作用的物體變了,而運動狀態只會連續改變。所謂引力是物質間存在的相互作用,這種相互作用範圍無限大,任何天體的運動都必須是連續的。
出處:劉德力科學網部落格
從黑洞引力作用範圍b點向黑洞中心射出一束光光,那束光還沒有到達黑洞中心,就已經被引力作用了吧
而如果引力沒有光那麼快,黑洞如何做到讓光都無法逃脫的?空間扭曲嗎?那麼時刻都在扭曲空間的力的傳播速度不也是比光快麼,不然空間以小於光速的頻率時而扭曲時而不扭曲,光的一部分不就可以透過那片扭曲的空間了麼。
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這個問題很有意思。不過我也不懂。
不過據我所知,黑洞之所以讓光線無法逃脫,不是引力強大的可以吸引光。而是引力扭曲了時空,光是順著最短的距離行進。被扭曲的空間是在我們看來是扭曲的。但是光在其中還是順著物理法則順著最短的路程行進著。只不過,扭曲的時空終點是隻有入口沒有出口,導致光進入黑洞之後就無法出來,被困在了黑洞裡面。
我的理解就是,黑洞是困住了光,而不是透過引力吸引的光無法逃脫。
至於引力的速度。我覺得引力是不存在速度的。人類對於引力的本質還不瞭解。引力可能只是一種人類根據現象猜想的模擬力。其實只是一種現象,時空扭曲造成的引力效應,就如同向心力這種虛擬力一樣。這只是我一個並不專業的人的猜想。肯定是不正確的。只是一個人的瞎想而已。不要當真。