相同質量的物體速度越快其引力是否越大?
狹義相對論說質量和速度正相關(的質速公式)。一個物體的速度越快,因為動量守恆,所以其質量就越大。
然後廣義相對論和牛大爺都說引力和質量也正相關。那是不是一個物體速度越快,其引力就越大?
比如一個質量為 1kg 的物體以 0.999999c 的速度運動時,其產生的引力是不是就非常巨大?
總覺得哪裡不對……
這是後牛頓近似下引力的公式(引力磁論)。其中, 是源的質量和角動量, 是測試粒子的質量和速度。
是不是相同質量的物體速度越快其引力就越大?
答:還取決於其質量分布(更廣義的,能-動量分布)。在質量、質量分布相同的情況下,運動速度越快,其受到的引力學大。
狹義相對論說質量和速度正相關。一個物體的速度越快,因為動量守恆,所以其質量就越大。
評:這是動質量的定義,不是因為動量守恆。動質量本質上是動能。
然後廣義相對論和牛大爺都說引力和質量也正相關。那是不是一個物體速度越快,其引力就越大?
答:圖像上講可以這麼認為。
假定一個物體包含兩部分,一個很輕的殼,一個內部高速運動的核。兩部分相互作用可以忽略。物體的質量為這兩部分能量的和:
在零階近似下,受到的引力為,
很顯然,核的運動速度越大,受到的引力越強。當殼可以忽略不計時,核便是物體的本體。這樣的物體存在嗎?當然了!組成大部分物質的核子便是由高速運動的夸克組成的!其質量大部分來自與夸克的動能。
比如一個質量為 1KG 的物體以 0.999999c 的速度運動時,其產生的引力是不是就非常巨大?
總覺得哪裡不對呀。。。。
答:那是因為這樣的物質很少見吧。除了光。光的運動速度是一定的(光速)。然後,光被引力吸引會產生偏折,其偏折角度是固定的。
所謂「引力更大」不能理解為簡單的平方反比律有更大係數。其實很好理解,換到引力源靜止的參考系,其實就是「引力源對高速物體的引力作用更大」。這個「更大」的來源在於廣義相對論里的速度項——廣義相對論中引力產生的加速度(坐標系)由克氏符給出,克氏符純時間分量是牛頓引力只依賴於距離,克氏符還有時空混合分量和純空間分量分別正比於速度的一次項和二次項(科里奧利加速度和離心加速度),它們在速度遠小於光速時可以忽略,考慮它們的微擾效應稱為「後牛頓(post Newtonian)近似」。
說到這裡,回過頭來看「速度越大質量越大」,其實完全概括不了高速物體的引力修正。我再次不厭其煩地強調所謂「動質量」概念的多餘甚至誤導。
質量參數就是一個洛倫茲標量,不會隨速度變化。速度越大,能量越大,只不過經典的動能公式是低速近似,需要修正。涉及引力的,都要用廣義相對論,引力源是能量-動量張量,而不是質量。
以上
如果你的思路是速度變大, 變大,然後帶入牛頓萬有引力定律發現引力變大。那麼這個思路當然是有問題的。如果你要從相對論角度去看的話,自然不能雜糅著牛頓引力去看。
你的問題是:速度越快是不是引力就越大?
我們下面簡單算一算就知道了,一般對於這種問題我們取線性近似會簡單很多,假設弱引力場度規接近閔氏度規: ,這時候愛因斯坦方程的線性是:
類比於電磁場方程,很容易寫出它的解:
取近似 ,這時候我們可以把解寫成:
,這就是給定能動量張量 在線性近似下的引力波輻射。對於所給定的問題,下面來看看速度很大的情況就行了。
引力輻射源的速度取決於觀者,在給定觀者的四標架場 時,就可得在相應觀者坐標系下能動量張量的00分量 ,即能量密度: 。很容易發現,當輻射源相對於觀者來說速度很大時,能動量張量場在觀者坐標系下的分量 會很大,相應的引力輻射 就會強一些。
當然,這是我們在愛因斯坦方程的線性近似下,得到的簡單結論。但是,GR本身是非線性的,對於非線性場方程,引力波不再像電磁波那樣滿足疊加原理,也就是說時空中傳播的引力波並不像電磁波那樣可以「互不影響」。
這時候,如果你要嚴格考慮兩個引力系統的相互作用的話,問題就會複雜很多,我們需要考慮兩列引力波之間的散射問題。想簡要了解一下這種情況的話,可以參考一下下面書籍的22至25章。
《Exact Solutions of Einsteins Field Equations》 Hans Stephani, Dietrich Kramer, Malcolm MacCallum, Cornelius Hoenselaers, Eduard Herlt【摘要 書評 試讀】圖書?www.amazon.cn或者這本書的相關章節。
《Introducing Einsteins Relativity》 Ray dInverno【摘要 書評 試讀】圖書?www.amazon.cn與引力場直接相關的是引力源的能量動量張量,其中包括了質量部分分量,這裡的質量就是靜質量。所謂速度的作用是在能動張量的涉及3-動量的其他部分體現的,因而根本不需要動質量的概念。
我回答過一個非常相似的問題,詳見https://www.zhihu.com/question/306271104/answer/557112836(一個有靜止質量的物質以接近光速運動,產生的引力與其靜止狀態下產生的引力是否相等?)。
這裡簡單說一下結論吧:物體的運動速率、方向、角動量都會影響其引力效應;但是,並不是說速度越大引力越大。解愛因斯坦場方程,運用的是能量動量張量,而不是簡單的動質量。相比於靜止的物體,運動物體的「額外的引力效應」用「拖拽周圍時空」來形容更形象、更準確。