为什么引力波和光速都是299792458m/s,是巧合还是必然?
稍微有点物理常识的读者都知道光速不因观察者而改变。
光速不变也是狭义相对论的基本预设,如果这个预设是错误的,那么相对论就不复存在了。
最早预言“光速不变”的是麦克斯韦,这一论述最早出现在1864年,他发表名为《电磁场的动力理论》的论文指出:电场和磁场已波的形式以光速在空间中传播。
虽然麦克斯韦的电磁理论预示着光速不变,但是由于麦克斯韦自身受限于以太学说,并不能深刻认识到光速不变是客观独立的。
在等效原理被提出之后。时空弯曲,引力波的概念应运而生。
广义相对论是和牛顿力学存在根本性矛盾的,不过弱引力场上,其应用结果与牛顿力学相差微弱。
而地球上,乃至整个太阳系都可视为弱引力场。所以牛顿力学依旧有重要的地位。
广义相对论和牛顿力学的根本性矛盾主要体现在下面
牛顿力学:引力是瞬时的(不含时),这种超距作用在以太中得以实现(以太是引力的传播介质)
广义相对论:引力的传播无需引入一个假象物充当介质,引力是非瞬时的,它的速度是光速,引力是时空弯曲的表象。
让我们先看看为什么电磁波是光速
我们日常生活中能看见或者仪器能接收到的绝大部分电磁波都是原子核外电子辐射出的结果。
不需要高深的量子力学知识,仅用电磁学定律我们就搞明白了。
核外电子相对于原子核质量很小,一个带负电的电子绕着带正电的原子核旋转必然面临一个棘手的问题,那就是电子在原子核外运动,会经历变化的电场,因此会加速。
加速的电子会辐射能量。失去能量的电子不可避免地会落入原子核中,这样以来原子结构就不稳定了。这也是卢瑟福原子模型的致命之处。
不过新的原子模型早已解决了这些问题,电子辐射的能量很多时候来自外界摄入。
如果有静止质量的物质速度无限接近光速,那么其质量就无限大,那么用尽全宇宙的能量也不能维持其加速运动。
所以有静止质量的物质不能维持光速运动
而光子没有静止质量,所以质速关系已经不适应于光子的运动质量的计算了。
这时候就用核外电子辐射出光子的能量E=hν,再结合质能方程E=mc ,就可以推导出光子的运动质量m=hv/c (h为普朗克常数,v为光子频率,c为光速)
根据狭义相对论,我们明显可以得出:没有静止质量的粒子必须以光速运动才能存在,否则就不存在。
虽然我们还没有找到引力的传播子—引力子,但是理论已经计算出引力子没有静止质量。所以引力子必须以光速运动。
这也是引力波必须以光速运动的最浅显的理解。