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时变质量四极杆是什么意思?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-01-06 08:50:28

让我们从基础开始,同时也比较重力和电磁学。首先,最简单的例子:点质量(或点电荷)。它是球对称的,所以它的引力场也是球对称的。它也是静态的(不随时间变化)。没有变化,所以也没有辐射:辐射意味着变化,因为它把能量从一个地方带到另一个地方。

这个点质量,或者点电荷,是一个单极子。接下来,让我考虑一个球。仍然是球对称的,但不再局限于一点。结果是,在球的外面,它的场(质量的引力场或电荷的静电场)和具有相同质量(或电荷)的点粒子的场是一样的。这一点从牛顿(所谓的壳层定理的含义之一)起就已为人所知,但在广义相对论中也是如此。

时变质量四极杆是什么意思

这应该马上告诉你的是一个脉动质量或脉动电荷:也就是说,一个体积增长或收缩的球形质量(但它的质量保持不变),其引力场在脉动质量之外不会发生任何变化。(例如,如果太阳坍缩成一个黑洞,从140万公里缩小到不足6公里,地球的轨道将不受影响。)对于脉动、带电、球对称物体的静电场也是如此(只要它的电荷保持不变,只有它的大小变化)。让我们超越球面对称。为此,我们从数学中调用了一组有用的工具:任意形状可以用一个幂级数模型来描述,这个模型叫做球面谐函数。在磁单极子之外的第一个球面谐波是偶极子。

我们如何创造一个偶极子?通过分离正电荷和负电荷。这就是无线电天线的作用:当电流在天线中流动时,天线整体保持电中性,但周期性地,正电荷会积聚在一端,而负电荷会积聚到另一端,反之亦然。这种电荷分离方式的周期性变化会干扰天线周围的电磁场。这些干扰以电磁波的形式传播,将能量从天线带走。这是无线电发射机的基本原理。

我们能对质量做同样的事情吗?不完全是。原因是没有负质量。所以我们不能把正质量和负质量分开来形成偶极子。因此,偶极子引力辐射是无法产生的。下一个球面谐波是四极杆。质量和电荷都可以以一种形式排列,使四极矩不为零,而且不需要负质量来做到这一点。这意味着球对称以外最简单的质量分布将由非零四极矩来表征。

但如果质量分布不随时间变化,相应的引力场也不会随时间变化。它将保持静态场。要产生辐射,我们必须引入变化,就像偶极子天线中的交流电产生周期性变化,从而产生无线电波一样。

所以你就知道了:一个随时间变化的引力四极可以引起引力场的变化,引力场以引力波的形式带走物体的能量。

这就是你的时变质量四极杆。相应的引力波有一些有趣的(和有用的,例如,用于探测)性质:通过的波是体积保持(也就是说,时空的度规以一种不受体积影响的方式变化),但它在一个方向上挤压物体,同时在垂直方向上拉伸物体。这正是引力波天文台在比较垂直排列的激光信号时所探测到的。
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