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如果太阳消失了 地球还能“活”多久?

发布日期:2019-10-03 00:19   来源:未知   阅读:

  如果有一天,太阳突然消失了,地球及其上的人类要多久才能感觉到变化呢?如果只说光的问题,很好解答,8分钟而已(光线从太阳到地球的时间),但太阳消失后地球何去何从,看的是引力,它的传播速度又是多少呢?

  知乎用户“細推物理須行樂”给出了非常详尽的解答,首先最直接、最简单的答案就是:在弱场背景下的引力波是按光速传播的。换言之,也是过8分钟,地球就会感觉到失去了支柱。

  经典的牛顿万有引力公式不包括时间,所以牛顿引力是瞬间完成的,是一种“超距作用”。对此牛顿无法解释,他也从未对引力的起因提出过任何假设。

  静电场的库仑定律也是如此,都是表明一个“源”让一个产生一个“场”。给定一个“源”,比如质量或者电荷,就在周围的空间瞬间产生一个场,牛顿引力场或者静电场。一旦“源”消失,周围的场也瞬间消失。牛顿引力场和静电场都不能脱离源而存在。

  在麦克斯韦之前,人们并不知道电场或者磁场是如何传播的,但库仑定律并不是电磁场的全部,于是等到麦克斯韦将库仑定律(对应高斯定律)、法拉第电磁感应定律、推广的安培定律等结合起来,得到了一个波动方程,人们才知道,电场和磁场都是以“波”的形式传播的,而且速度就是光速,最重要的是,电磁波可以脱离“源”而存在,而自由传播。

  牛顿引力是关于“引力势”(标量场)的理论。就像静电势是一个标量场、却不是电磁场的全部一样,标量的牛顿引力势也不是引力场的全部。

  在爱因斯坦的广义相对论中,引力被一个张量场描述。一个物理的引力场有六个自由度:两个标量自由度、两个矢量自由度、两个张量自由度。牛顿引力势,只相当于两个标量自由度中的一个。

  更细致的研究发现,在这六个自由度中,www.660077.com,只有两个张量自由度才能自由传播,即满足无源的波动方程,且传播速度在弱场背景下正是光速。

  而另外的标量、矢量自由度,都不能脱离“源”而存在。这里的“源”,可以是“质量”,也可是张量自由度即引力波本身。

  在真空中(比如地球太阳之间可近似为真空)不可能有产生引力场的“源”,于是在其中唯一可以传播的只有引力波。打个比方,引力波是汽车,而标量(牛顿引力势)、矢量自由度都是坐在这辆车的人,跟着动而已。

  以地球如何感受太阳引力为例,更确切的图像是:太阳产生引力波,以光速传播到地球所在的位置,而引力波传播的同时,也携带着另外四个自由度一起传播,最终在地球的位置产生完整的引力场(六个自由度),然后地球感受到这个引力场当然,也包括牛顿引力势。

  所以,即便太阳有一天突然消失了,我们需要在8分钟后才看到天黑了;同样,在8分钟后的同一刻,才感觉地球突然被甩了出去。

  麦克斯韦1865年得到电磁波动方程,12年后赫兹就证实了电磁波的存在。遗憾的是,广义相对论诞生已经100年了,至今仍然没有直接探测到引力波。

  目前测量引力传播速度的实验,通常是观测太阳、地球、月亮系统的重力变化,实际上只是观测牛顿引力势的作用时间,不过因为牛顿引力势总是坐在在引力波这辆跑车上,所以也算是间接测量了引力真正的传播速度。

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