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引力辐射导致的轨迹衰减是咋回事?牛顿定律能否解说这个现象

admin 2019-09-15 179人围观 ,发现0个评论

我们都知道双星轨道衰减问题,例如两颗中子星会互相螺旋靠近对方。那么它们转的好好的轨道为何会衰减呢?我们太阳系行星轨道会衰减吗?牛顿和开普勒能解释这个问题吗?相对论是怎样解释的?今天就讨论这些问题。

让我们先回到牛顿和开普勒定律。

太阳系作为一个独立的系统,我们可以把太阳看作是太空中一个固定的不动的点,于是我们就可以追踪太阳系内所有天体,包括行星、小行星和彗星围绕太阳的轨道运动。我们高中时期的物理都是这样分析问题的,但是这样得到的只是近似值!

400多年前第谷死后把几麻袋的天文观测数据交给了开普勒,开普勒就获得了当时世界上最好、最丰富天文数据,再加上开普勒这个人数学能力特别强,于是他就发现每一颗行星都不是在以太阳为中心的圆形轨道上运行,而是在以太阳为焦点的椭圆轨道上运行。这就有了开普勒三大定律!半个多世纪后,牛顿发现了导致椭圆轨道发生的根本原因:万有引力定律。

引力定律不仅适用于围绕太阳运行的行星、太空中的物体,也适用于地球上简单的坠落物。怎么说,你拿着引力定律,走遍宇宙任何角落,都可以解决所有宏观物体的引力问题!引力定律在宇宙中具有普遍性,被称为“宇宙定律”,因为它适用于整个宇宙中任何有质量的物体。

换句话说,在任何时刻,只要你知道宇宙中所有物质的位置和质量,你就能够准确地预测在引力的影响下,在无限远的未来一切将如何发展。这就是牛顿定律的魅力和力量。

预测整个宇宙,这个想法有点飘!首先,要预测模拟整个宇宙,我们就需要一台像整个宇宙一样强大和复杂的计算机,其模拟精度与宇宙本身运行的精度相同,我们目前根本无法办到,但是也不需要这样劳民伤财!我们更喜欢制作一个简单的模型,而不是计算整个宇宙中所有亚原子粒子的作用力以及它们相互作用的方式。

牛顿引力能否解释轨道衰减问题?

最简单的系统,也是我们最了解的系统就是:太阳系。

在我们的印象和平时看到的图像中,八大行星被巨大的空间隔开,太阳系的行星轨道应该是8个绕着静止太阳运动的完美封闭的椭圆!但是要得到这样的结果,我们就必须做出以下的假设才能成立:

  • 所有的行星和太阳的质量都可以看作是一个点。
  • 每颗行星的轨道仅由太阳对其施加的引力决定。
  • 牛顿定律是绝对的,所以不存在洛伦兹不变性(意思就是不考虑行星之间速度的差异,外行星比内行星运行的速度快)。

但是,在现实中,以上的假设都不是真实的!

为了研究方便质量是可以看作一个理想的点,但是真实的行星和太阳可一点也不像点。虽然各天体之间的距离比它们自身的大小要大的多,但是天体的大小(从水星直径4879公里到太阳直径1391684公里)不等,天体质量分布也不均匀,也并不是一个完美的圆。而且太阳系中的每一个天体都以非零的固有角动量旋转。

实际上,太阳系内没有一颗行星的轨道是完美的椭圆,我们的太阳也不是静止的。行星相互之间以及太阳引力的变化导致了行星轨道在时间上并不是恒定的,如果我们的计算和测量足够精确的话,我们应该能够看到开普勒的轨道预测只是一个实际情况的近似值。

随着时间的推移,考虑到更复杂的现象,比如与其他微小颗粒、粒子、尘埃的碰撞,行星也会损失少量的轨道能量。在现实中,行星轨道不会形成一个封闭的椭圆,会慢慢的螺旋靠近太阳!

这是牛顿引力对轨道衰减能做出的最极限的预测和解释了,因为牛顿引力并不关心引力的速度是多少,也没有引力场和引力辐射这一说。两个有质量的物体只要一出现就会瞬时产生引力作用,拿走一个引力也会立即消失,除非有外在的因素影响引力,才会产生轨道的变化。而太阳系肯定不是一个完美无瑕的系统,所以引力变化也是存在的!

广义相对论中的轨道衰减

而在广义相对论中,一个大质量物体会在它周围产生一个引力场。如果这个物体自身在运动或旋转,就会导致一个随时间变化的引力场。那么另一个大质量物体在引力场中运动,会发生什么呢?

不知道也没关系。大约在同引力辐射导致的轨迹衰减是咋回事?牛顿定律能否解说这个现象一时间,科学家们也正在狼性老公求轻宠考虑当带电粒子穿过电场时会发生什么。具体地说,科学家把原子想象成一个带正电荷的原子核和环绕原子核的电子。如果是这样的原子模型,那么原子肯定不能存在!

快速移动的带点粒子会发射电磁辐射,而电磁辐射携带能量。因此,电子的轨道会随着时间的推移而衰减,因此原子就会崩塌!卢瑟福首次发现了这个电磁辐射问题,直到几十年后量子力学的出现,才解决了这个问题。最简单的解释就是,特定能量的电子存在于特定的轨道上,而电子辐射出的能量并不是连续的,一次只能发引力辐射导致的轨迹衰减是咋回事?牛顿定律能否解说这个现象射一份能量,这就是量子的定义!

爱因斯坦也预测,物体在变化的引力场中加速或改变方向,也会引起引力辐射或引力场的振荡,就是我们常说的引力波,引力辐射和电磁辐射一样,也会带走能量,所以就会发生天体的轨道衰减!像我们太阳系这种较小的质量引起的引力波是无法探测到的,所以科学家就选择了那种强引力,并且速度不断变化的天体,进行测量。距离我们地球1.7万年的双星脉冲星就是很好的选择,科学家也第一次成功间接的测量到了引力波!

总结:地球螺旋进太阳的时间需要10^150年

还记得50年前阿波罗登月时放在月引力辐射导致的轨迹衰减是咋回事?牛顿定律能否解说这个现象球上的激光测距反射镜吗?科学家通过使用激光测距精确测量月球的位置,我们不仅能够证实引力辐射引力辐射导致的轨迹衰减是咋回事?牛顿定律能否解说这个现象效应(导致轨道衰变的相同效应)的存在,而且发现与广义相对论的预测具有99.9%的一致性(不确定性为0.1%)。

对于像地球和太阳这样的系统来说,地球螺旋进太阳的时间需要10^150年,这个时间大到可以让太阳毁灭,所以基本上不去考虑这样的事情发生。但是对于一个双星脉冲星引力辐射导致的轨迹衰减是咋回事?牛顿定律能否解说这个现象来说,几亿年后就会撞向对方,这就是引力辐射效应!

所以牛顿定律也可以解释一个部分行星的轨道不是一个封闭的完美椭圆,想要完美解释这个问题,就需要广义相对论的引力辐射效应!

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