[1] 在我们所采用的波速 c =1 的单位制下,推迟解与超前解的区别在于前者由 t — r 时刻的源决定 t 时刻与源相距 r 处的场,而后者由 t + r 时刻的源决定 t 时刻与源相距 r 处的场。从数学上讲两者都是波动方程的解——因波动方程是时间反演不变的,但从物理上讲,源是因场是果,因果关系要求因早于果,从而应该只用推迟解。不过也有物理学家有不同看法或作过不同尝试,比如惠勒和他的学生、著名美国物理学家费曼(Richard Feynman)曾尝试用超前解处理电磁理论的某些基础问题,丹麦物理学家莫勒(Christian Møller)则主张对引力波不能排除超前解。不过这些尝试或主张都未得出有建设性的结果。 [2] 这一近似之所以被称为低速近似或非相对论近似,是因为引力波的典型波长取决于源的运动。具体地说,若源的尺度为 R,典型运动速度为 v,则源的典型运动周期——同时也是其所发射的引力波的典型周期——为 T ? R/v,相应的引力波典型波长则为 λ = cT ? Rc/v,因此源的尺度远小于引力波的波长意味着 R ?λ? Rc/v,即 v ? c,这正是低速近似或非相对论近似。 [3] 一般情形下的远场近似要求场点离源的距离 r 不仅远大于引力波的波长 λ (即 r ?λ),而且还远大于源的尺度 R(即 r ? R),不过多极近似已假定了源的尺度远小于引力波的波长(即 R ?λ),因此后一条件(即 r ? R)是自动成立、不言而喻的。 [4] 电磁理论和引力理论都没有单极辐射还可以这么理解:单极辐射是球对称源——比如球对称电荷或质量分布的脉动——所发射的辐射。但对于像库仑力和引力这种满足平方反比律的场,早在牛顿时代人们就已知道,球对称源的外部场只与源的总量有关,因此这种源的任何运动——只要维持源的总量守恒——从外部场的角度看都等于是不存在的,从而不可能产生单极辐射(这同时也印证了单极辐射出现的条件是源的总量不守恒)。 [5] 可以证明,引力波没有偶极辐射——或者更确切地说,引力波的最低 “极” 辐射为四极辐射——跟前文分析引力波独立分量数目时提到过的引力子是自旋 2 的无质量粒子是完全一致的 (相应地,电磁波的最低 “极” 辐射为偶极辐射跟光子是自旋 1 的无质量粒子也是完全一致的)。 [6] 通过后牛顿近似研究引力波——主要是研究引力波的辐射阻尼效应——直到数十年后才有显著进展,中国物理学家胡宁等也在这一领域做过工作。另外,作为比较,著名的水星近日点进动只涉及到后牛顿近似中的二次项,在次数上远低于显示引力波存在所需的五次项——这也说明了庞加莱所猜测的引力波对水星近日点进动的影响 (参阅《》中的“算不上先驱的先驱”)是完全错误的。 [7] 由于这个缘故,有些人将爱丁顿视为引力波的早期怀疑者。不过爱丁顿同时也发现了引力波横波分量的速度是光速,并且与坐标的选择无关,因此撇开措辞不论,他的发现跟现代研究其实并不矛盾,他认为可疑的分量只是那些可以通过坐标变换消去、从而本就不具有实在性的分量,并不构成对引力波的全面怀疑。 [8] 对于我们所考虑的情形来说,渐近平直时空粗略地讲就是在远离源的地方 hμν → 0。严格的定义则可参阅拙作《从奇点到虫洞》中的 第 3.1 节。 [9] 不过推导虽然繁复,最终的结果跟电磁理论的相应结果——即电磁四极辐射的辐射功率——其实只差一个比例系数,正所谓 “魔鬼存在于细节之中”(the devil is in the details)。 本文为卢昌海先生最新力作,《赛先生》获授权首发。欲读作者更多文章,可查看卢昌海个人主页,或点击页面左下角“阅读原文”直达该网站。 延伸阅读 ① ② ③ 投稿、授权等请联系:[email protected] 您可回复"年份+月份"(如201510),获取指定年月文章,或返回主页点击子菜单获取或搜索往期文章。 (责任编辑:本港台直播) |