solidot新版网站常见问题,请点击这里查看。

爱因斯坦未清楚定义的质量和角动量得到定义

科学
wanwan (42055)发表于 2022年07月14日 17时24分 星期四
来自异形博恩
在爱因斯坦(Albert Einstein)提出广义相对论一个多世纪之后,他的引力理论通过了每一项实验测试。广义相对论改变了我们对引力的理解,不再像长期以来认为的将其描述大质量物体之间的吸引力,而是在质量和能量存在的情况下,空间和时间弯曲的结果。该理论取得了惊人的胜利——从 1919 年证实光线在太阳引力场中弯曲到 2019 年观测到黑洞的轮廓。因此听到对广义相对论的研究仍在进行可能会令人惊讶。尽管爱因斯坦在 1915 年提出的方程牵涉到大质量物体引起的曲率,但该理论并没有提供一种简单或者标准的方法确定物体的质量。衡量物体在时空中旋转运动的角动量则是一个更难定义的概念。

困难源自于广义相对论中的反馈回路。物质和能量使时空连续体弯曲,但是这种曲率本身会成为能量的来源,这会导致额外的曲率——这种现象有时候被称为“引力的引力”。并且没有办法将物体的固有质量与来自这种非线性效应的额外能量分开。此外如果不先牢牢把握质量,就无法定义动量或角动量。爱因斯坦承认量化质量所涉及的挑战,但从来没有完整说明质量是什么或者如何测量它。直到 195 0年代末和 1960 年代初,首个严格的定义才被提出。物理学家 Richard Arnowitt、Stanley Deser 和 Charles Misner 定义了一个孤立物体的质量,例如黑洞,从近乎无限远的地方观察,时空几乎是平坦的,物体的引力影响接近于零。

尽管这种计算质量的方法(它的作者将其称为“ADM质量”)已经被证明是有用的,但是它不允许物理学家量化有限区域内的质量。例如,假设他们正在研究两个正在合并的黑洞,他们想要确定合并之前两个黑洞各自的质量,而不是整个系统的质量。包含在每个黑洞范围内的质量——从该区域的表面测量,引力和时空曲率可能非常强——被称为“准局域质量”。

2008 年,哥伦比亚大学的数学家王慕道(音译)和现任中国清华大学教授、哈佛大学名誉教授丘成桐提出了准局域质量的定义,该定义已被证明是卓有成效的。2015 年,这让他们和合作者能够定义准局域角动量。今年春天,这些作者和第四位合作者首次发表了长期以来一直在寻找的角动量定义,即“超平移不变”,这意味着它不依赖于观察者的位置或者他或她选择的坐标系。有了这样的定义,观察者原则上可以测量旋转物体在时空中产生的涟漪,并且计算这些涟漪从该物体上带走的角动量的确切数量,这些涟漪被称为引力波。