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打入牛頓萬有引力定律到冷宮之重力波

                                                示子重要發現書於20180303

    2017年諾貝爾物理學獎,授予美國三位科學家Rainer WeissKip ThorneBarry Barish,以表彰3人在LIGO探測器及重力波(或稱引力波)觀測之決定性貢獻。

    1687年,萬有引力定律(Newton's law of universal gravitation)是由牛頓(Isaac Newton)稱之為歸納推理之經驗觀察得出一般物理規律。其發表當初,已背負賓利(Richard Bentley)悖論之疑問,只是當時如日中天之牛頓,無人敢望其項背。又早在愛因斯坦相對論時期又被質疑,無神論之愛因斯坦過於畏縮,不敢得罪上帝之子牛頓,後不了了之。於20178月因重力波之發現,萬有引力定律被打入冷宮,同時證明愛因斯坦廣義相對論,所預言重力波之存在。現今20183月又因示子證明「物質引力定律」終而取代萬有引力定律,將之送入墳墓。

    重力波之能量通量(單位面積輻射功率)近似為FGW~f2*h2 ,給定f為單色重力波之頻率。思考一地面探測器可感測到些微弱之波量,其頻率給定為1,000Hz,當其到達地球時重力波強度已衰減為10-22尺度,則其能量通量約為3*10-3 W/m2 。如此相當於滿月時,月球傳輸到地球之波能量通量之兩倍,大約停頓只有1ms之久。給定此重力波源為夜間天空最亮之星體,表明此重力波實際可攜帶巨大能量,但重力波與其他物質交互作用力非常小(何因?後述),此為重力波難以被探測之根本原因。

    LIGO探測器原理重點在於「傾聽星體聲音」,如上述給定時空最亮之星體,其聲音頻率到達地球時,重力波頻率強度已衰減為非常微弱(10-22 尺度),造成偵測之困難度。雖然得獎3人對重力波只是觀測與發現,就可獲頒諾貝爾物理學獎,以表彰3人在觀測之決定性貢獻。但得獎3人對重力波之成因,卻一無所悉,諸子幸運,由示子所提出之「物質引力定律」即可解析重力波之成因。

 

 




 

圖一、時空中星體會造成時空連續下陷.

 

    如上圖一,在廣義相對論裡,時空中一星體(給定是地球),會造成該時空連續下陷。根據德布羅意物質波定律,第一德布羅意方程式指出,粒子波長λ(亦稱德布羅意波長)及動量p之關係如右 þ=m*v=h/λ=h*к/2pi E=h*υ=h*ω/2pi  (式中普朗克常數h、粒子靜質量m、粒子速度v、勞侖茲因子γ、和真空光速c及波群(Wave group) к)。

    因該星體會造成該時空連續下陷,相對思考即該星體之行進速度,有動量即可產生物質波,為德布羅意物質波定律之精神,據此可求波長。因λ = h / p(h=6.626*10-34 p 為動量),唯須注意德布羅意波,係以原子尺度計算,故示子考量星體與原子間計算尺度因子,須加以調整。

 

尺度因子如下:

地球重約:  5.972*1024 公斤

地球直徑約:1.2742*107 公尺

原子重約:    1.67*10-27 公斤

原子直徑約:3*10 -10 3*10-11公尺

地球速度約:297,900公尺/

 

    德布羅意波長 λ 以方程式表達為 λ = h / p ,計算得地球之λ值約為6,204,600公尺即其頻率為48.19Hz。同理計算太陽之λ值約為360,241,000 公尺,換為頻率為0.83Hz60%人類只能聽到40Hz以上聲音,又數拾萬元以上之高級喇叭,方能解析20Hz以上音響。太陽之λ值過大,連光都須1.2秒方能超越(或逃脫)。故依示子之「物質引力定律」證明,得知其周邊八大行星及其衛星皆須追隨其左右,一同繞行參拜太陽系。此因造成晚年之牛頓欲成上帝之子,使萬有引力定律遺誤330年。歷史總無情,再前西元1543提出日心說(地動說)之哥白尼Nicolaus Copernicus,成為歪魔邪說,而鋃鐺入獄致死。示子遺憾當今學術界充斥太多之托勒密Claudius Ptolemaeus信徒,箝制學子思想。回憶示子於博士班求學期間,有股莫名其妙之參拜潮流,金箍罩頂,令悟空難以發揮不要緊,夜夜擔心床下地獄之門突開而墬,使永無超生之日。

    在廣義相對論裡已表述,重力波是時空之漣漪。有如投擲石頭到池塘時,會在池塘表面產生漣漪,從石頭入水之位置向外傳輸。當帶有質量之物體呈加速度運動時,會在時空產生漣漪,從帶有質量之物體位置向外傳輸,此時空之漣漪亦即重力波。

    由於廣義相對論限制物質重力交互作用之傳播速度為光速(為何?),因此會產生重力波現象。相反地,牛頓重力理論中之,是以無限速度傳播,故在此一理論之下,並不存在重力波。

 

圖二、二個時空中星體其重力波會造成時空漣漪

 

    示子為好論述,給定太陽系八大行星及其衛星皆不存在,只剩太陽與地球,如圖二。一如此跟據廣義相對論之表述,二個時空中星體,其重力波會造成時空漣漪。如此證明示子之「物質引力定律」,可用來取代萬有引力定律。

    示子之「物質引力定律」證明,二個時空中星體(亦可應用到二個小球體如棒球),並非靠萬有引力所繫結(引力)。二個球體之所以互為繫結,乃是時空中一星體,會造成該時空連續下陷後,所產生之行進速度,有速度(嚴謹定義應是加速度),就有物質波(德布羅意波)。又當2個以上之物質波相遇,會糾結成為波群(Wave group),因而有「引力」現象,吾人可由二互為干擾水波紋得知此現象。據此投手投出棒球,亦會產生物質波,因其λ值太小,約為10-20之尺度,遠超出現今偵測儀器尺度(10-14尺度)。該棒球路徑,即為物質波現象之鐵證,其沿物質波路徑周圍,微小物質會被吸近(物質波引力現像)

    被生成後之重力波,因其λ值太大,如地球之λ值約為6,204,607公尺,故幾乎無法被其他物質阻止,依據繞射理論,物質須高於4倍λ值才可阻擋。太陽直徑為地球之109倍,故於太陽系中,唯太陽可阻擋又可反射地球之重力波,當然太陽神之重力波無物可擋。

    重力波於時空傳播時,只有在下列幾個狀況下,才會出現較為顯著改變:

1.重力波波幅會隨著傳播距離增加而減小,理論上太空為真空狀(為何?),並不會衰減重力波波幅,造成衰減現象,其因為各重力波相互作用而衰減之。

2.重力波頻率會因太陽系外之宇宙膨脹、各重力交互作用或都卜勒效應而出現紅移。

3.其他效應對於重力波波形影響非常有限,例如,被星際介質或星系際介質吸收、散射、色散等(因重力波波常λ值太大,又星際介質或星系際介質非常微弱)。

4.重力波會在強勁重力場作用下被聚焦。重力波也會展示出繞射行為。

   重力波因有過大之波長λ值,故有兩個獨特性。其一:不須任何物質存在於引力波源周圍,示子已解釋因其為物質波,故不會有電磁波輻射產生。其二:重力波幾乎不受阻擋,可任意穿過行進途中之天體。比如,來自於遙遠恒星之光會被星際介質所遮擋,引力波能夠不受阻礙穿過。這兩個特徵允許引力波攜帶有更多之之前所未有「觀測」過天文現象資訊,偵測重力波之技術,並非「觀測」而是「傾聽」重力波之頻率,後再倒數求波長λ值。

 

后記:基於示子之「物質引力定律」提出,電磁波定義須被改定;光波亦須被定義為物質波而非電磁波。

 

示子萬金重要發現書於臺南市20180303

 

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