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引力传输速度不大于光速吗?

已有 591 次阅读 2020-1-24 14:14 |系统分类:观点评述

1.研究引力传输速度的思想实验

在牛顿引力理论中,引力被认为是即刻作用在质量体所在空间的四周。比如说太阳引力不需要传输时间就作用在各行星上。但也有人猜想引力需要传输时间,其传输速度像光速一样是有限的。图1.所示是一个研究引力传输速度的思想实验。这是为了证明引力传输速度是有限而设计的。

我们都知道太阳系里的各行星是受太阳引力的约束而绕太阳公转运动。设想有个神灵在某个瞬间把太阳拿走,太阳系里的各行星就会因为失去太阳的引力而脱离原有轨道,不再沿规则的椭圆轨道运动。

我们还知道光速是有限的。太阳光从发出到抵达地球需要近8分钟的时间。在太阳被拿走后的近8分钟的时间里,我们会看到太阳还在原来的位置。如果引力是即刻传输的,我们一定会先发现地球或其它行星脱离了轨道运动,后看到太阳消失的现象。相当于在近8分钟的时间里,人们会观测到行星不按牛顿引力理论运动的现象。

纵观广袤的宇宙,人们从没看到过有天体不遵守牛顿理论的运动。因此设计和讨论这个思想实验的人一般就这样认为:要么各天体的椭圆轨道运动和太阳引力无关,当然这是不可能的。有可能的就是引力的传输速度有限,而且不超过光速(或者等于光速)。这样才观测不到有天体不遵守牛顿理论而运动的现象。由此得出引力传输速度是小于或等于光速的结论。

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1.

我们稍加分析会知道,这个思想实验不能说明所谓的引力传输速度小于或等于光速。首先,引力概念是否确切?引力是否有传输速度的概念?这个思想实验都不能回答。即使引力和引力速度的概念是确切的,这个思想实验也不能证明引力传输速度是小于或等于光速。

如果我们观测到某行星脱离了本来的运行轨道,同时还能肯定我们看到的太阳是8分钟之前留下的虚像,我们大概可以肯定引力传输速度大于光速。这样说明引力传输速度大于光速也合乎逻辑。

我们没有观测到这些,只是还不能断定引力传输速度会大于光速。却不能以此证明引力传输一定小于或等于光速。大于光速和小于等于光速是两个互不相容的概念,我们不肯定实验结论符合其中之一,能肯定它符合另一个吗?我们没能证实某个存在之前,不意味着可以肯定或可以否定这个存在,更不能去肯定另外一个存在。可见这个思想实验不能证明引力传输速度是小于或等于光速,更不能说明引力有传输速度。设计这个思想实验来讨论引力传输速度的问题,在形式逻辑上行不通。

2.引力概念问题

所谓引力和电力、磁力等都是相类同的概念。物质间存在着各种相互作用,对这些相互作用强弱的一种描述我们就称作是各种力,但力只是一种表征抽象(一种初始抽象)。力本质上是物质间相互作用在某个空间方向的梯度,必须是相互作用。所谓万有引力就是质量体连线方向上物体相互作用的梯度。所有力也都是物质间相互作用的空间梯度。任何力都不会存在于物质间的相互作用以外。物质之间普遍存在相互作用是自然界存在的最基础事实,而且是没有存在理由的事实。我们可以用其它逻辑概念来代替力,却不能定义比相互作用更基础的概念。

牛顿力学理论和几何光学理论类似,是一种研究自然规律的表征抽象理论。几何光学在很多场合显得非常简单和有效。但是我们知道,光是一种电磁波,光线只是电磁波某种传播方式的图形化描述。在普遍情况下,电磁波的特性是不能简单用光线来全面描述的。一样在分析物质间的相互作用时,牛顿力学和其它力学理论采用图形矢量化的分析方法也非常有效和方便,但力只是物质间相互作用的一种表征抽象,并不是物质间相互作用的全体描述,物质间相互作用还会有出现其它物理效应。更不能在逻辑上认为力是物质间存在相互作用的原因。

3.引力传输速度问题

力是物质间相互作用的空间梯度,所以力没有独立运动和运动速度的概念。电力、磁力都一样,都没有传输速度的概念。这和波不一样,波是介质物中相互作用的空间变动现象。一般介质体都可以看作是由无数质点因相互作用聚合而成。其中相互作用状态的改变会引起质点空间位移变化,因质点位移又会引起相互作用新状态。任何空间位移都需要时间,波就有传输速度的概念。与一般介质中的波相类比,电磁波可能也是某种介质中相互作用状态发生空间变动带来的现象,但目前还不能解释这种特殊介质内状态变化为何需要时间。

当空间只有两个理想的质点,讨论它们的相互作用时,我们不能认为它们之间的所谓引力有传输时间。讨论多个质点或一般质量体之间的相互作用时,尤其是考虑了质量体运动时,宏观效果上就会等效出所谓的引力传输时间,这种所谓的传输时间是可以观测的。也就是说,宏观效果要出现所谓的引力传输速度。

考虑一个实际的质量体,它可以看作是由无数质点组成。这无数质点之间存在着各种相互作用。不然的话,它们就不会聚合成一体。质点间的相互作用保持着各质点空间位置的静态平衡或动态平衡。在空间不远处再引入另一个质量体时,就会引起原质量体内部各质点间相互作用状态的改变。比如会出现质点的空间位移、位置变动。质点位移总是需要时间,因此观测实际质量体间的相互作用,一定可观测到这种相互作用的时间延迟效应。所谓的引力作用就会因物体内部各质点的空间运动而产生等效的宏观延迟效应。我们会观测到和认为存在有所谓的引力传输速度。

4.引力作用范围和引力波

引力和引力传输速度不是基本逻辑概念(不是元概念),只是一种表征抽象。但引入这些作概念在形式逻辑上并不会导致不连续或会很矛盾。相反,在目前人类对自然的认知水平情况下,引入和应用这样的概念来讨论问题反倒是更容易和更方便。

引力是关于物质间相互作用的初始抽象。这些相互作用是天生的,没有存在理由的。那么质点间存在相互作用的空间范围有多大呢?应该是无穷大。当不断连续增加一个质点的质量,它和远处另一个质量体的相互作用就不断连续增强。从这里我们就可以看出引力的作用范围是无限大的。如果相互作用范围有界,那么无论怎么增加它的质量,它和足够远处质量体的作用都不会再增强。如果相互作用范围有界,当宇宙中的两个质量体运动到作用界限处就会突然出现相互作用或突然消失这种作用。若讨论的质量体是地球,遇到这种情况,地球就会突然发生形变,甚至整体被瓦解,其它天体也一样。而且人们将看到宇宙中有无数天体因此原因会突然改变运动路径或运动方向。

质点间相互作用范围无穷大,意味着宇宙中任何质量体都在相互作用着,只是相互作用的强度大小不同。相距遥远时,相互作用可以忽略。我们所观测到的天体运动规律是由近处质量体的相互作用所主导的。因为相互作用距离无限大和连续性,个体的运动必然是连续的。因为天体运动或空间位置的改变需要时间,而位置改变又带来新的相互作用,天体间相互作用就有时间效应。宏观上看,所谓天体间的引力作用和波的传播机制在这里完全相同,实际观测到的所谓引力有波的传播特征。在某个空间位置观测到的这种效应大概可以称作是引力波。

5.引力传输速度的大小

前面谈到物体内部所有质点都在相互作用着,相互作用涉及所有质点和它们的相对空间位置。如图2. 所示,左边质量体内各质点的平衡位置和右边的质量大小相关。可以想象,太阳和地球相互作用会引起地球内部所有质点相互作用及空间位置的变化,这种变化的宏观效应可以在地球表面用绝对重力仪观测到。由于日、地、月相对位置的周期性改变,地球内所有质点间的相互作用也在呈周期变化,这就产生了所谓的固体潮现象。海潮是质点大位移的现象。

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2.

声波在物体中传输是因为物体中各质点的相互作用和位移变化效应。如图3.所示,质点振动方向和波的传播方向相垂直称作横波,振动方向和波的传播方向平行称作纵波。无论哪种波都要依靠质点和质点间存在的相互作用才能完成传播。物体间所谓的引力作用也引起物体中各质点的相互作用和位移变化。其中质点相互作用和位移变化和声波传输的情一样。因此我们可以这样猜想:物体之间所谓的引力传输速度总小于或等于物体中的声波速度。当物体中有类似出现海潮时的大质量体、大位移运动变化时,可观测的所谓引力传输速度还要低很多。如果物质中各质点没有相对位移变化,或者说各质点是刚性连接的(物体是刚体),那么所谓引力效应是即时的,没有传输时间;所谓声波也变成是整体振动,或者说声速无穷大。

 

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 3.

 

6.结论

人们从没看到过有天体不遵守牛顿理论的运动,不是因为引力传输速度小于或等于光速。而是因为没有神灵会把太阳拿走并让其即刻消失。

如果有某种方式让太阳与各行星之间的相互作用变小,小到可以忽略;同时各行星和别的物体间的相互作用增强,超过了和太阳间的相互作用,太阳才会离我们而去。我们在太阳离开我们前后观测到行星运动还是符合牛顿理论的运动。差别仅仅是和行星有相互作用的物体变了,而运动状态只会连续改变。所谓引力是物质间存在的相互作用,这种相互作用范围无限大,任何天体的运动都必须是连续的。




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