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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 专业学科区 » 物理 » 理论物理&天文 » 关于引力延迟下双星系统角动量不守恒的疑惑---求高手解答！
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lwb1985

新虫 (小有名气)

[交流] 关于引力延迟下双星系统角动量不守恒的疑惑---求高手解答！ 已有3人参与

这个业余问题考虑了20多年，可能需要广义相对论的知识来解决。但是否有更简洁通俗的理论来解决引力延迟与双星系统角动量守恒之间的矛盾？请专业人士指点。问题描述如下：

       在引力为超距作用下（无光速延迟），两个质量相等的圆轨道双星受到彼此的引力是指向圆心的，在天体刚性不考虑潮汐作用的情况下，双星的动量及角动量守恒。但考虑引力延迟情况下，星体受到对方的引力不通过圆心，且在速度方向有分量。如果用牛顿力学分析，延迟的引力对星体产生了加速作用，双星的动量和角动量都会逐渐增大！
      这种情况，牛顿力学是否正确？
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1楼 2025-06-19 18:44:37
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rlafite

木虫 (正式写手)
★
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为什么角动量不增加？
在广义相对论的框架下，双星系统的角动量守恒可以通过以下机制解释：

引力波的贡献：
双星系统在绕转时会发射引力波，带走能量和角动量。这是一个非常微小的效应（对于低速、弱引力场系统几乎可以忽略），但它表明系统的总角动量（包括引力场的角动量）是守恒的。
在牛顿力学中忽略了引力波的存在，因此延迟效应看似导致角动量增加，而实际上这部分“多余”的角动量被引力波带走。
弱场近似中的修正：
在广义相对论的弱场近似（线性化引力）中，引力相互作用不仅包含牛顿引力，还包括类似“引力磁力”的修正项（称为引力磁效应或帧拖曳）。这些修正项使得引力方向偏离单纯的延迟位置，接近于瞬时位置，从而维持系统的稳定性。
对于非相对论速度的圆轨道双星，这些修正项几乎完全抵消了延迟引起的非中心力效应，角动量守恒得以保持。
能量守恒的约束：
如果角动量增加，系统的动能也会增加，这需要额外的能量来源。在引力延迟的正确理论中，系统的总能量（包括场的能量）是守恒的，任何看似增加的动能都被场的动态或引力波的辐射所抵消。
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5楼2025-06-25 02:12:03
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lwb1985

新虫 (小有名气)
可能的答案是：在不考虑引力波辐射和潮汐作用下，牛顿力学依然正确。引力仍通过圆心，但引力不是超距的，引力延迟是存在的。似乎很矛盾吧？

1、即使引力存在延迟，但一切匀速星体施加给我们的吸引力指向我们观测到的星体光学位置前方（S=v*L/c），也就是实际位置。
2、直线加速星体施加给我们的引力在实际位置后方，且位于光学位置的速度前方（S=v*L/c）处。
3、直线减速星体施加给我们的引力在实际位置前方，且位于光学位置的速度前方（S=v*L/c）处。
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2楼2025-06-22 01:20:35
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rlafite

木虫 (正式写手)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
牛顿力学在处理引力延迟时是不正确的，因为它基于瞬时作用的假设，而引力延迟引入了时间依赖性，这需要场论或更高级的理论来正确描述。直接在牛顿力学中引入延迟会导致错误的物理结论，例如您提到的角动量增加。这种“错误”源于以下原因：

牛顿力学没有考虑引力场的动态传播和能量传递。
引力延迟带来的非中心力效应需要通过场的相互作用（如引力波）或广义相对论的框架来正确建模。
因此，牛顿力学无法自洽地解决引力延迟问题。我们需要寻找更合适的理论框架。
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3楼2025-06-25 02:09:13
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rlafite

木虫 (正式写手)
为了避免直接跳到广义相对论的复杂数学，我们可以借用电动力学中的类比来提供一个更简洁的解释。电磁场和引力场在有限传播速度下有相似之处，这种类比可以帮助我们理解引力延迟如何不破坏角动量守恒。

电磁类比：
在电动力学中，两个带电粒子以光速传播的电磁相互作用也会引入延迟效应。如果直接用库仑力加上延迟，会错误地预测系统动量或角动量不守恒。
然而，电动力学通过引入电磁场解决了这个问题。场的传播不仅传递力，还携带动量和能量。延迟导致的“非中心力”效应被场的动态行为抵消，系统的总动量和角动量守恒。
引力场的类似修正：
类似地，引力不是简单的粒子间力，而是通过引力场传播。引力场的动态行为（在广义相对论中表现为时空曲率和引力波）确保系统的守恒定律。
当引力以光速传播时，星体感受到的引力不仅来自对方过去的“视位置”，还包括对方运动引起的场修正（类似电磁场中的磁力效应）。这些修正项使得引力方向和大小被调整，抵消了看似导致角动量增加的非中心力分量。
通俗解释：
想象引力像一根“有弹性的绳子”，它不是瞬时拉扯，而是通过场的传播缓慢传递力。由于星体在运动，场会“预测”对方的运动轨迹（类似广义相对论中的引力拖曳效应），使得实际的力方向接近于指向对方当前位置，而非过去的视位置。
这种“预测”效应确保引力提供的力仍然近似为向心力，系统的角动量和能量得以守恒。
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lwb1985
4楼2025-06-25 02:10:23
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