引力和引力波

作者:冯文明 信息来源:民建安徽省委网站 点击量:5073 发布时间:2017-01-10 10:51:44

爱因斯坦是人类最伟大的科学泰斗,广义相对论是他被人类神话般敬仰的丰碑和皇冠上的宝石。广义相对论中的引力是最为完美的阐述,而牛顿万有引力说是远低于光速运动时的引力完全可以襄括于广义相对论。爱因斯坦预言了引力波的存在,牛顿是他那个时代的科学泰斗,他与莱布尼兹共同发明了微积分,是自然辩证法的极为生动的科学杰作,爱因斯坦方可借助于微积分实现严谨科学的数学表述。同样爱因斯坦场方程的非线性特征及求解是至今未解的迷。人类就是在科学探索的进程中不断步入新的科学殿堂,求解宇宙之谜和无穷的科学之谜,不断在实践和认识方面从必然王国向自由王国的进程中取得突破。

一、     宇宙的基本属性

宇宙浩瀚,奥妙无穷,人类对宇宙的认识无论在广度和深度方面已经达到了相当高的水平,然而同样在广度和深度方面,还有相当多的宇宙历史、现实和未来的发展过程中已经或将要发生的事件,尚难以一一作出解释和预测,物理学家们的历史使命依然艰难重大,观测、求解、建立数学模型,以期解释已经发生的宇宙历史,并预测宇宙未来。

马克思主义辩证唯物论的哲学,已经给出了宇宙的基本属性,那就是宇宙在时间上无始无终,在空间上无边无际,宇宙中没有绝对真空而充斥了物质,而这些物质无论从宏观还是微观上无时无刻地运动着。因此时间性、空间性、物质性和运动性是宇宙存在的基本属性,而把这时间、空间、物质和运动这四个物理量联系起来,建立相应的包括这几个物理量的方程,具有非凡的划时代意义。当前尚未建立这样一个数学物理方程或方程组,爱因斯坦的引力场方程是一个二阶非线性偏微分方程组,数学上想要求得方程之解非常困难,而爱因斯坦运用了很多近似方法,从引力场方程中得到了很多最初的预言,如时空是弯曲的、引力波的存在性等,已为物理学家们公认,引力波的发现轰动了物理学界。

时间的客观存在性,人们都可以理解,宇宙在时间上无始无终是可以想象的,而有始有终则是无法想象的。试想时间之始前是什么?时间之终后又是什么?是不可想象的,显然违背了宇宙的客观的时间参数。

空间的客观存在性,人们也可以理解,宇宙在空间上无边无际是可以想象的,而有边有际则是无法想象的。试想这边这际之外又是什么?显然是不可想象的,这一点如果一不小心,就很容易堕落为唯心论,成为上帝创造宇宙的有神论者。任何再大的天体,再小至基本粒子、场粒子、暗物质、暗能量,都必然有空间存在,它们如果不能在一定的空间存在,同样是不可思议的。

物质的客观存在性,人们同样可以理解,宇宙中再远再大的空间必然有物质存在,如果没有物质存在,这个空间是什么?何以想象!岂不是真正意义上的“真空”,“真空”又是什么?提出“真空”的存在在辩证唯物主义看来就可能陷入唯心主义泥潭,人类历史上曾有“以太”说,寄希望于不可知论,违背了唯物论的认识论的科学论断。科学家们反复通过各种手段的观测和计算,在人类已及空间和时间上证实三种宇宙中的物质存在,其中暗能量约占73/%,暗物质占近23%,而人们所熟悉的有形有态的物质仅约占4%。暗能量是一种致稀能量密度或质量密度的物质,在宇宙中所占空间可能在99.99%以上,甚至是更多的“9”,暗能量可以通过人类已有的手段来探测它的存在,如引力波的测量和发现;暗物质是一种致密能量密度或质量密度的物质所构成,如黑洞、中子星、质子星、脉冲星等等,它们所占宇宙空间是最小的,甚至远低于人类所熟悉的物质所占的空间,这也是可以理解的。在大学学习中,老师曾打过譬如,整个地球中的质子和中子,按其体积计算,如压缩在一起,所占空间的体积仅仅只有一只火柴盒大小,而暗物质的致密度与此相近,可见暗物质的能量或质量的致密度程度之高,所占宇宙空间之小可想而知;而我们十分熟悉的有形有态的天体及天体上的无生物、有生物,所占宇宙空间远远小于暗能量空间,都又远远大于暗物质所占宇宙空间,这类物质包括浩瀚宇宙中天文所观测到的地球、月亮、太阳及太阳系中的行星及其卫星,以及银河系、其它星系的天体,有些星系可能存在暗物质构成的天体,当然也广泛存在着暗能量物质。暗能量、暗物质、有形有态的物质,相互交错于宇宙空间构成了整个宇宙物质的存在性和统一平衡性。

物质的运动性,宇宙的运动是绝对的,而静止是相对的。在粒子物理学中,基本粒子都具有自旋运动的本质特征,其最小自旋为h/2,渐次为3h/25h/27h/2、……nh/2n为正整数,h为普朗克常数,也即基本粒子自旋或者说其能量呈h的整数倍级次跳跃,而非是连续性的自旋量或能量。地球、月球、太阳系及其行星和行星的卫星、银河系都是运动的。这是人们所观察到的实实在在的事实,上述就是人类熟悉并观察到的物质的运动性,太阳系和银河系的运动都是旋涡型的;暗物质如黑洞是由于天体“寿终正寝”坍踏而形成。如有人类熟悉的物质在贴近黑洞一个相对应距离时,这些有形有态的物质会遵遁时空弯曲掉入黑洞而被“吞噬”,黑洞内部微观和宏观上均处于基态或低能态,如果没有外来远超黑洞质量的天体撞击,黑洞会十分稳定,处于“死气沉沉”的状态,但绝非处于静止状态,只是相对于其它两类物质,比较老实和安稳。可以理解为这一天体处于暮年状态,自身老态,在无边无际的宇宙中这类天体物质所占空间极小极小,没有较多的机会靠近这类天体。一般的天体或物质在暗物质天体“力所能及”的范围内,它将毫不留情地“收入囊中”,并予“吞噬”被其“消化吸收”。但如有质量和能量可以与之匹敌的天体发生撞击时,这样的黑洞将“重获新生”,与撞击的天体重新诞生出若干个天体,开始新的这一宇宙空间的天体运动。当然这样的宇宙事件,何时何地发生,只是一种合理的推测,难以具体量化,这同样是宇宙物质运动性的逻辑推理。当然还有一点必需指出黑洞等暗物质天体有大有小,甚至有小型微型黑洞,是否可以人为制造,用来造福人类?这是一个十分有意义的科学探索;暗能量如前所述,其能量密度或虚拟(等效)质量密度致稀,在宇宙中所占空间大到难以想象,因没有科学家们提供具体数据,不可遑论。暗能量以一种旋涡场运动的形式存在,就像飓风或台风的风云形成的不对称的旋涡场运动,称之为暗能量旋涡场,简称为旋涡场。这种场的运动弥漫充斥于整个宇宙,无处不在,无时不有,主宰着宇宙大宏观的运动变化。这种暗物质虽然其能量密度或虚拟(等效)质量密度致稀,却并不平均等值,在时空上有巨大的差异,犹如飓化、台风的风云气象图所显示的那样,错落有致,稀密存异。

二、    引力和引力场

两个任意物体,小至两个粒子间存在具有与其质量乘积相关的吸引力,这吸引力的大小又与两个物体质心之间的距离平方或反比,而力的方向则在两个物体质心的连接线上,也称连心线上。力的大小可用F= Gm1m2/ R² ,其中F为两个物体相互之间的吸引力,m1m2分别为两个物体的质量,R为两个物体质心之间的距离,为此距离的平方,G为引力常数。

粒子物理学中力有四类:引力、强力、弱力和电磁力。宇宙万物相互作用由这四种力组成,并使万物在这些力的作用下,具有无处不在、无时不有的的物质的运动性特征。日常所及与力有关的“摩擦力”、“向心力”、“离心力”等等均不是宇宙物质相互作用的力。本文只讨论引力,其它三种力不予探讨。

引力是支配天体运动唯一的力,为什么产生引力,目前没有详细解释,形成引力的原因并非天体之间的拉扯,而是广义相对论所描述的时空弯曲而产生。在平面几何中,两点之间线段最短,称之为短程线,然而在被弯曲的四维时空中,短程线也被弯曲,就譬如任何一个平面上划出的一条直线,在弯曲的三维空间上这条直线也被弯曲了,折叠、折弯平面(如纸上的直线)也就成为弯曲线了,而这弯曲过程总需要在或快或慢的过程中完成,就应证了对四维空间弯曲的理解。这就是爱因斯坦泰斗级科学贡献,描述了宇宙万物之间相互作用而产生引力,引力成为万物天生就有的运动属性,以及在四维空间中的运动遵循的规律,即爱因斯坦方程——引力场方程

引力通过引力场对任何宇宙天体发生作用而给出了引力。由于天体的宏观和微观特性的多元性,以及四维空间分布的不均衡性,这些特点决定了引力场的基本特征。正如前文所述,其形态是旋涡型的,暗能量即引力场存在的能量密度或虚拟(等效)质量密度以旋涡场形态存在,称之为暗能量旋涡场,简称为旋涡场。已经观察并证实了太阳系和银行系的运动都是旋涡型的,佐证了暗能量必定以旋涡型存在,也即引力场是旋涡型的。

太阳系的运动是由引力场的暗能量来推动的,太阳系周围时空中的暗能量设想取数值为零时,太阳系将失去了运动的动力,太阳系中的天体,如八大行星及行星所有的卫星,无法形成一个整体,这些天体不再那么训服地呆在太阳系,将各奔东西,太阳系不复存在,而成为一盘散沙,为新的暗能量时空所俘获,成为相应天体系中的俘虏,亦或在浩瀚的太空中成为消亡的流星。幸好现实不是这样,太阳系始终在暗能量旋涡场中运动生存。

引力场存在三种状态:膨胀、平衡和收缩。当太阳系引力场(旋涡场)处于膨胀状态时,所有的行星和卫星将不受控于太阳系扬长而去,自找出路或走向灭亡。当引力处于收缩状态时,所有太阳系中的天体都会向太阳靠近,建立新的平衡,在新的靠近太阳的轨道中运动,从而也改变了与太阳之间的空间距离,地球温度将渐渐缓慢上升,相继发生各种人类恐难战胜的可怕的灾难。幸好无论是太阳还是地球处于身强力壮中期,消亡的过程将以百亿年计的遥远而遥远的未来。当引力场处于平衡状态时,也就是现实中的太阳系,一切保持稳定平衡,日复一日,年复一年,行星绕太阳包括地球绕太阳、月球绕地球等天体运动规律维持常态。人类已开展了深太空,尤其是类地条件的行星寻觅探索,不久前发现了离地球1430光年这颗最近的行星,人类在数百上千年的未来完全可以造出数千数万甚数百万吨规模的宇宙飞船,为人类数十亿年后的灾难寻找避难而生存的出路,经过数代、数十代的时间到达这颗行星,不仅在宇宙飞船中确保数百、上千探索者的生存,还必需在新行星上建设开发新的人类家园,像在地球上一样生存繁衍。未来将首先属于人类进行宇宙探索并参予实践的具有雄心壮志、科学精神和极强生存能力的全能精英,把人类出路梦想变成现实。依现实科技水平和爆发式进步,这个梦想在未来千年内必定实现,在地球已不适合人类生存条件之前,更远在地球毁灭之前实现人类的转移。当然,尚未转移的人类一方面不断改造地球日趋恶劣的环境,创造新的人类适存的生活。但总有一天,人类能力已不足以适应地球环境,也无力为数百亿人类生存创造条件,无奈只有牺牲尚存于地球上的人类,而让人类精英拓展人类生存发展的新天地。因此,人类无需悲观,人类永远将成为宇宙具有思想意识的生物精英一族,在适应宇宙环境的动荡中永存!!这是本人的一种预测,目前离此目标相去甚远。

引力对过于遥远天体则微乎其微,可以忽略不计,但对于巨大的天体在较近的空间,这种引力是由天体质量及其周边的暗能量(引力场能量)共同产生的。以太阳为例,由于暗能量总是以这引力场旋涡型的动能来表述。Vn是旋涡场运动的速度,与太阳系中暗能量总量有关,它等于4293.40/秒,而太阳系旋涡场处于平衡稳定状态,En=EP1=1640.189×108×Mo焦耳,En为太阳系总能量,EP1为太阳系总动能,En=EP1,说明太阳系总能量,完全以太阳系总动能来表现,二者完全等值,而Mo代表地球质量,代入动能公式,可求得太阳系暗能量的虚拟(等效)质量为Mn=2En/V²n=2×1640.189×108×Mo÷(4293.40²=17796Mo,计算得出太阳系暗能量虚拟(等效)质量是地球质量的17796倍,而太阳的质量是地球质量的133769倍。

引力场中的引力与物体质量无关,因为引力场不是由这个物体产生的。引力场中的引力在某处的强度大小,在距天体(如地球)某一距离处的引力值是确定值,而不管此处是否有物体存在。引力场强度是描述引力场性质的基本物理量,这种强度的空间分布就构成了引力场,是为矢量,具有指向性或方向性的物理量。尽管学术界对于暗物质和暗能量的可能有的量,分布和属性已经有了一定研究,但对于人类而言,仍然是未知大于已知,并未完全被证实的概念,对其研究并较为彻底的解谜,以至用相应的数学方程式(组)来建立模型,仍有漫长的道路要走。

三、     引力波和引力波源

在物理学中,引力波是指四维时空弯曲中引起的波浪式涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,以引力辐射的形式传输能量,这种能量就是暗能量。1916年,爱因斯坦根据广义相对论预言了引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果,因为它引入了相互作用总是在确定的传播速度有限的概念,这是任何宇宙天体大大小小的事件和任何微观粒子的相互作用事件,包括放射性同位素衰变过程的发生总具肯定在一定时间内发生,从始到终,事件发生总有确定的速度,无法立即发生,或者说相互作用的速度不可能是无穷大的。光速传播接近30万公里/秒,量子纠缠的速度大概比光速快4个数量级,是光速的数万倍,光速已有较精确的测量为299792458公里/秒。但量子纠缠的过程速度太快,受现代已有测量手段的限制,只能给出光速的数万倍,有待科学家的努力。引力波的传播速度也是光速。

引力波探测源包括致密的双星系统,如白矮星、中子星、质子星和黑洞,黑洞是最为致密的星体。

引力在广义相对论中,被认为是时空弯曲的一种效应,这种弯曲是因为天体质量的存在而导致。在给定一个天体(物体)体积内,包含的质量越大,那么在这个体积边界处及周边足够的空间内时空弯曲越大,这就说明了致密星体对时空弯曲很大,而黑洞的时空弯曲效应最大,因此暗物质的时空弯曲效应较为容易测得,而人类所知的有形有态的天体,如太阳系的天体对时空弯曲效应中的引力也较易测得,并在太空探索中发射的人造飞行器必需考虑这一效应。如发射一颗到月球的太空探测器,按地球与月亮间距离计算约为35.640万公里,而这一探测器运行轨迹的总长度远远大于40万公里。如要提高效率或缩短行程,则必需大大提高发射火箭的功率而提高探测器的速度,或在行程中变轨变速,方可实现缩短时间或行程,这是航天科学的范畴,只作定性叙述。

我们所熟悉的占宇宙物质总量4%的物质可以测得其空间的引力场中引力的分布图,但引力波的测得却十分困难。因此,只有对暗物质天体相互作用时引起的引力波,用十分苛刻、十分精密又十分灵敏的科学手段方可测得,原因在于引力波是致密天体相互作用在暗能量空间引起的暗能量涟漪引力波能量实在太弱太小,而引力波的频率范围又过于宽泛,虽然爱因斯坦是在1916年知晓了引力波的存在,而实测验证却是2015年的事情。其基本原因是暗能量的能量密度或虚拟(等效)质量密度太低太低,而测量仪器与如此之低引力波能量相互作用其极高的灵敏度实现是十分困难的事情。

在某些特定环境条件下,呈加速的物体能够对时空弯曲的曲率产生变化,并且能够以波的形式向外以光速传播,这种传播的物理现象称之为引力波。在广义相对论中,引力波通过某个观察点时,因为应变效应,观察处就会发现时空被弯曲,当引力波通过的时候,物体间的距离(空间)就会发生有节奏的增加和减少,这个频率就是引力波的频率。引力波频率跨度极大,低至0.01赫兹 ---1.0赫兹,高频至数百赫兹。

引力波源有五种:

1、旋进或者合并的致密星双星系统,如中子星或黑洞的双星系统。

2、快速旋转的致密天体,这类天体在周期性引力波辐射中损失掉天体角动量而使旋转速度减慢,引力波信号强度会随着天体周围引力场非对称性程度的增加而增加。这类天体可能包括非对称性的中子星等。人类已发现的中子星体约近十个。

3、超新星或者伽马射线暴的爆发。恒星爆发时非对称性动力学特性也会产生引力波,直接探测来自这类天体的引力波,可以提供此类天体最为直接的内部和外部信息。

4、超大质量黑洞。在星系的中心,天文学证实了会有一个超级黑洞的存在。星系在运动演化过程中,会彼此合并,在某些星系中间,会有两个黑洞,非常类似于LIGO所探测到的双恒星级黑洞,两个双黑洞在绕转和最终合并时,也会产生相对较强的引力波,可以利用空间探测器进行探测。

5、随机的引力波源背景,即类似于宇宙辐射背景,称之为辐射本底,对于随机引力波则是引力波本底,宇宙中无处不在,无时不有,只是绝大多数情况下,引力波强度微乎其微到压根儿无法测到。

引力波具有两个非常重要而独特的性质,一是不需要任何的物质(物体)存在于引力波中,是与生就有的存在,因而不会有电磁辐射的产生源头;二是引力波几乎不爱阻挡地穿透行程中的天体,而不是像来自遥远恒星天体发出光(电磁辐射)会被途中的星际介质所遮挡而吸收,引力波可以不受阻挡地穿透电磁辐射背景和任何天体而一往无前地行进,具有与粒子物理学中相似的隧道效应,从而可以允许引力波具有更多更原始的从未被观测到过的宇宙变迁的信息,这就具有非同小可的意义。由于引力波独有的特性,天文学家完全可以期待引力波带来更多更为久远之前,从未被观察发现的天文现象信息。

四、引力波的探测和展望。

    由于宇宙对于电磁辐射是不透明的,因此对于引力波的精确测量能够使科学家更为全面深刻理解和验证广义相对论。

引力波的研究,科学工作者可以区分宇宙奇点(突变)所发生的事件,如138.2亿年前发生的宇宙大爆炸,都是未解的谜。我按照宇宙时间性特征、空间性特征推测有更多次宇宙大爆炸,寄希望于天文学家有更多的发现证实这一猜想。而引力波----每一次大爆炸都会引起引力波的发生,源源不断地都又经历十分漫长的过程到达人类对引力波观察的探测处。

由于引力波信号效应极其微弱,爱因斯坦1916年提出了广义相对论并预言了引力波的存在,直到100周年后的2015年才被测得证实了引力波的客观存在。引力波效应之小以天体GW150914在最后剧烈合并阶段所产生的引力波,在穿过13亿光年距离之后到达地球,这一最为时空的涟漪,也仅仅把LOGO  4公里臂长改变了一个质子直径的万分之一,只相当于将太阳系到最近另一颗恒星之间的距离改变了一根头发丝的宽度。如果不借用超常精密、超常手段的探测器,科学家根本无法探测到引力波信号的存在。

1974年,美国科学家泰勒和他的学生赫尔斯利用美国直径为308米为当时最强大的射电望远镜,发现了两颗质量大致相当于太阳的中子星组成的相互旋绕运动的双星系统,两颗中子星其中一颗为脉冲星,利用它的精确的周期性射电脉冲信号,可以十分精准地测得这两颗致密星体在绕其质心公转时轨道的半长轴和周期,而根据广义相对论,两颗致密星体近距离(天文意义上量级的)彼此绕旋时,该系统会产生引力辐射,辐射出的引力波具有的能量被带走,系统的总能量会越来越少,两颗星体越来越靠近,引起轨道半径变小,绕旋周期变短。泰勒及其同行在经30年对上述的PSR0913+16双星系统的持续观测,结果如同广义相对论所预测的绕旋半径(半长轴)每年缩短3.5米,周期变化每年减少76.5微秒,甚至可以预言这一双星系统将在3.5亿年后合并,这是人类首次得到引力波存在的间接证据,验证了广义相对论的引力场理论的正确性。泰勒和赫尔斯因此获得1993年诺贝尔物理学奖。

第一个对引力波进行直接探测尝试的人是韦伯,1957年到1959年,韦伯制作了一根长2

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