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“引力—空间波”

(2014-11-05 09:25:25)
标签:

空间

引力

引力波

“引力—空间波”

 

杨明昆  王严学  杨昭国

 (ygyzg@126.com)

 

    1.“引力场”与“空间场”

    1.1“空间”与“流体”

    我们常说“宇宙空间”(在这里,简称为“空间”),但它究竟是什么?空空如也,还是塞满了可供光子、电磁波及其他所有一切移动的介质?科学家目前还没有找到确定答案。但一个最新理论认为,时空本身可能是一个“液态超流体”(liquid superfluid)。 [1][2]

    “超流体”是一种物质状态,完全缺乏黏性,正由于没有摩擦力,它可以永无止境地流动而不会失去能量。按照里贝拉蒂和马切诺尼的理论,时空作为这种特殊的物质形式,也具有非同寻常的特性,就像声音在空气中传播一样,它提供了一种介质,能让波和光子得以传播。 [1][2]

 

“引力—空间波”
图1

 

“引力—空间波”
图2 “空间”与“流体”

    1.2“引力”与“流体”

    1.2.1“引力”与“空间弯曲”

    爱因斯坦的广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。 [3]

    在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率)。 [4]

 

“引力—空间波”
图3 “引力”与“空间弯曲”示意图

 

“引力—空间波”
图4“空间弯曲”示意图

 

“引力—空间波”
图5 “引力”是一种“空间弯曲”

    1.2.2“质量弯曲空间”

    因为,万有引力源于“质量”,“引力场”对应的“空间弯曲”,本质是来说,是“质量”对应着“空间弯曲”——“质量弯曲空间”!

    所以,物质“质量”m0与其对应“空间”的曲率K0成正比,即有m0=αK0,α为比例系数。

也就是说,物质的“质量” m0,对应着一定的“空间弯曲”——曲率K0。若其曲率半径为r0,则k0=1/r0

 

“引力—空间波”
图6 “空间弯曲”与“质量”

    也可以说,物质“质量”,反映物质空间的“弯曲”情况,是物质空间“弯曲”一种表现,有什么样的物质“质量”的存在,就有什么样的“空间弯曲”(曲率)分布——“物质告诉时空如何弯曲”——“质量弯曲空间”。

    那么,物质“质量”的变化,也一定对应着“空间弯曲”——“曲率”的变化。反过来,本质上,应该是“空间曲率”——“空间弯曲”的变化,可以通过物质“质量”的变化来表现。

    1.2.3“引力”与“流体”

    科学家的最新研究显示黑洞周围的引力场可能呈漩涡状。 [5]

 

“引力—空间波”
图7 引力场可能呈漩涡状

    引力可以表现为流体的特征。流体的特征行为之一便是湍流,也即在某种情况下,它们无法平滑的流动,而是呈漩涡状。 [5]

 

“引力—空间波”
图8 “引力”与“流体”

    由于“引力”是一种“空间弯曲”,而“弯曲”与“流体”的特性相一致,并且“空间”也具有“流体”特性,因此,“引力”也具有“流体”特性。

    路易斯·莱纳(Luis Lehner)说道:“引力等同于流体,这被称为引力/流体二象性。”  [5]

    1.3“流体”与“场”

    “引力可以被描述为场论。”路易斯·莱纳(Luis Lehner)说道。“我们也知道在高能量时,可以用描述流体的数学工具来描述场论。因此这其中包含两个步骤:引力相当于场论,而场论等同于流体,因此引力等同于流体,这被称为引力/流体二象性。”  [5]

 

“引力—空间波”
图9 “流体”与“场”示意图

 

“引力—空间波”
图10 引力/流体二象性

    1.4“空间场”

    “引力可以被描述为场论。”“引力”“流体”形成了“引力场”,“空间”“流体”也应该可以形成“场”——“空间场”!

 

“引力—空间波”
图11 “引力场”与“空间场”

    1.5“引力场”与“空间场”

    1.5.1变化的“引力场”激发“空间场”

    如果把静止“质量”为m0、曲率半径为r0的“质点”,在速度大小为v的情况下的“质量”设为m、曲率半径为r,c为光速,那么根据相对论的“尺缩效应”,在速度v的方向上有r=r0√1-(v/c)2

 

“引力—空间波”
图12 “空间弯曲”与“速度”

    若设“质量” m对应“空间”的曲率为K,由k=1/r,k0=1/r0,r=r0√1-(v/c)2,则有k=k0/√1-(v/c)2

    k=k0/√1-(v/c)2说明:

    变化的“引力场”——静止“质量”m0(产生的“引力场”)以速度v运动后,激发“空间场”—— m0对应的“空间曲率”会发生“增大”变化——产生新的“空间场”。

    1.5.2变化的“空间场”激发“引力场”

    由m0=αK0,m=αK,可有m=m0K/K0=m0/√1-(v/c)2

    m=m0K/K0说明了:

    变化的“空间场”——空间曲率由K0 变为K,激发“引力场”——“质量” m0会发生的相应变化——产生新的“引力场”(由新的质量m产生的新的引力场)。

 

“引力—空间波”
图13 变化的“引力场”与“空间场”可以相互激发

    2.“引力—空间波”

    2.1“产生来源”

    空间中有“电磁波”,也可以有“引力—空间波”,简称为“空间波”:由变化的“引力场”与变化的“空间场”相互激发而产生。

    如果参考“磁感应强度”B,来定义“空间场感应强度”BO,参考电场强度E,定义“引力场强度”EO,参考“电常数”(又名“真空电容率”或“真空介电常数”)εO和“磁常数”(又名“真空绝对磁导率”或“真空磁导率”)μO,其中,εO=1/(4πk)(k为静电力常量),可以有“质量常数”s0=1/(4πG)(G为引力常量、π为圆周率)和“空间常数”n0。那么,可以有关于“空间波”的方程组: [6][7]

 

“引力—空间波”
图14 “空间波”的方程组

    2.2“光速传播”

    如果1/√s0n0为“空间波”波动传播的速度,并且也为光速C=1/√s0n0。C、s0、n0之间有C2s0n0=1。那么,可以有关于“空间波”的波动方程为: [8]

 

“引力—空间波”
图15 “空间波”波动方程

    可见,“引力场”、“空间场”和“空间波”的传播速度都是光速。

    2.3“难以探测”

    由s0=1/(4πG)和C2s0n0=1,在国际单位下,取G=6.67×10-11牛·米2/千克2,π=3.14,C=3×108米/秒,可得:

    s0=1/(4πG)=1/(4×3.14×6.67×10-11)≈1.19×109(千克·秒2/米3)。

    可见,“质量常数”s0 在数值上是比较大的,为109 数量级。正如“电常数”(又名“真空电容率”或“真空介电常数”)εO≈8.86×10-6法拉/米,是表征真空保持电荷的能力,所以,“质量常数”s0也应该是表征“空间保存质量能力”的一个物理量,也可以称为“真空质量容纳率”。

    而n0=1/( C2s0)= 4πG/C2=4×3.14×6.67×10-11/(3×1082

    =4×3.14×6.67×10-11/(9×1016

    =4×3.14×6.67×10-27/9

    ≈9.31×10-27(米/千克)。

    明显地,“空间常数”n0在数值上是很小的,为10-27数量级。正如“磁常数”(又名“真空绝对磁导率”或“真空磁导率”)μO≈1.26×10-6亨利/米,是表征真空导磁性能的物理量,所以,“空间常数”n0也应该是表征“空间传导属性或能力”的物理量,也可以称为“真空传导率”。由于“空间常数”n0在数值上很小,为10-27数量级,因此,可以认为“变化的引力场”所激发的“空间场”在这种“空间传导属性或能力”上是很弱的、是不敏感的。或者说,“引力—空间波量子”的频率可能一般都很低,能量都很小。所以,在“空间波”的探测上是比较困难的。

    2.4“作用表现”

    因为“空间波”由变化的“引力场”,与变化的“空间场”相互激发而产生的,所以“空间波”有“引力”——“质量”——“万有引力”表现:“暗物质”效应。“空间波”还有“空间变化”——“平直空间”——“反引力”表现:“暗能量”效应。

    从上述的讨论中,可以知道,“空间波”与广义相对论预言的“引力波”是一致的,并且所谓的“引力波”应该就是这种“空间波”。 [9]

 

           

参考资料:

[1]《宇宙或是一个“液态超流体”》 中国科学院网站

http://www.cas.cn/xw/kjsm/gjdt/201404/t20140429_4102719.shtml

[2]《新理论认为宇宙本身或是一个“液态超流体”》凤凰科技

http://tech.ifeng.com/discovery/astronomy/detail_2014_04/29/36074085_0.shtml#_tansuo_datu

[3]《阿尔伯特·爱因斯坦》百度百科

http://baike.baidu.com/view/2526.htm?fromId=2218

[4]《广义相对论》维基百科

http://zh.wikipedia.org/wiki/廣義相對論

[5]《科学家发现黑洞边缘或有引力湍流》凤凰科技

http://tech.ifeng.com/discovery/front/detail_2014_06/10/36744143_0.shtml

[6]《真空磁导率》维基百科

http://zh.wikipedia.org/wiki/真空磁導率

[7]《真空电容率》维基百科

http://zh.wikipedia.org/wiki/真空电容率

[8]《电磁波》维基百科

http://zh.wikipedia.org/zh-cn/电磁波

[9]《引力波》百度百科

(http://baike.baidu.com/link?url=BN4inDMXq8ufDJmnkF28QEbSxYnuuUsWuL099mesycN7GZRz7qiiWjK-Uw5wUBFE)

[10]相关资料请参考《“引力场”与“空间场”》

(http://blog.sina.com.cn/u/2494755301)

(杨明昆 王严学 杨昭国期待您的交流、讨论  ygyzg@126.com)

 

 

 

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