引力电磁性

✍ dations ◷ 2025-09-18 08:09:01 #广义相对论

重力电磁性(英语:gravitoelectromagnetism, GEM)与电磁学并无直接关联,此名称来自于重力现象与电磁学现象的类比性。旋转的电荷除了原先即有的电场外,还会产生磁场;当质量旋转时,除了原先即有的重力场(重力电性)外,还会出现相伴场,称为重力磁场(重力磁性)。重力磁性(英语:gravitomagnetism)为重力电磁性现象的另一常用称呼。重力电磁性为广义相对论中自然而然的预测,其中最简单形式常被称为参考系拖拽(frame dragging)。

引力磁性在1893年由奥利弗·亥维赛对牛顿力学拓展时发展出来,早于广义相对论出现之前。广义相对论建立后,以其为基础发展出来的引力磁性理论,只与1893年的版本相差几个变数,基础框架仍可沿用。

广义相对论所描述的重力在弱场极限的情况下,可改写形式为一特别的场,其中有两个组成类似于电磁学中的电场与磁场。因此透过类比,将其称为重力电场与重力磁场。重力磁性的表现为跟速度相依的加速度,使得在旋转巨大物体旁移动的小物体所感受到的加速度与纯牛顿重力学(重力电性)预测的加速度有所偏差。细节包括自由落体产生旋转,以及已经自转的物理发生进动,这些现象都是广义相对论的实验验证内容。

间接检验引力磁性效应曾经使用相对论性喷流作为分析基准。罗杰·彭罗斯曾经提出参考系拖拽机制将从黑洞中汲取能量与动量。佛罗里达大学的Reva Kay Williams则发展出彭罗斯机制的数学证明。她的研究成果显示:参考系拖拽的冷泽-提尔苓效应可解释天文观测中高能波霎亮度、活动星系核上等数据结果。

斯坦福大学一群研究人员目前正分析首批由Gravity Probe B针对引力磁性的实验数据,用以检验引力磁性的实验数据是否与理论吻合。阿帕契点天文台月地激光测距站(APOLLO)也正在计划观测引力磁性效应。目前的数据仅显示类似于引力磁性的效应确实存在,但与引力磁性理论的描述层级上有相当大的差距,吻合度并不太高,某些量子引力理论的自然推导结论完全可以补偿并巧妙完善地说明观测到的数据,可以完全不使用引力磁性理论来说明观测数据。

根据广义相对论,由一旋转物体(或任何的旋转质能)所产生的重力场,在弱场极限情形下可用一组类比电磁学马克斯威方程组的方程组来描述,以“重力电磁性方程组”称之。两者比较皆以SI单位制可写如下表:

其中

一个带微小质量的测试粒子处于静态系统中,其所受来自于重力电磁场的合力(洛伦兹力)类比于电磁学的洛伦兹力方程:

其中

重力电磁性亦有类似电磁学的坡印亭矢量:

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