[论文解读] Non-existence of gravitational waves. The stages of the theoretical discovery (1917-2003)

A. Loinger|ArXiv.org|Dec 27, 2003

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文主张广义相对论中的引力波缺乏物理实在性，提出它们只是依赖坐标系的赝象，不具有真正的能量或动量。通过精确的非微扰方法，本文证明爱因斯坦方程中的波状解仅为形式上的起伏——无实质物理意义的幽灵，因其依赖于任意坐标系且缺乏守恒的能量-动量张量。

ABSTRACT

A short history of the theoretical discovery that the gravitational waves of general relativity do not have a physical reality.

研究动机与目标

• 挑战广义相对论所预测的引力波被广泛接受的物理实在性。
• 证明爱因斯坦场方程中具有波状特征的解仅为形式上的、依赖坐标的起伏，不具物理实质。
• 表明引力波的能量-动量为伪张量形式，且在一般坐标变换下不保持不变。
• 论证PSR 1913+16中观测到的周期衰减不能作为引力辐射的决定性证据，因其存在概念和能量上的不一致。
• 提供精确的非微扰证明，表明广义相对论中不存在引力波产生的物理机制。

提出的方法

• 分析Levi-Civita 1917年的结果：质量张量为零意味着引力张量为零，从而否定物理能量与动量的存在。
• 应用Levi-Civita 1930年关于特征超曲面的研究，表明波前受与场类型无关的哈密顿方程支配。
• 利用Scheidegger 1953年的微扰分析，表明在坐标变换下辐射项消失，暗示无物理辐射发射。
• 引用Infeld与Plebanski（1960）的研究，强调伪能量-动量张量的非物理性及其对任意调和函数的依赖性。
• 提出两个非微扰证明：(1) 测地线运动无法辐射，因此不存在波生成的机制；(2) 任何波状度规均可通过坐标变换消除，证明其依赖坐标系。
• 应用Weyl 1944年对线性化引力的分析，表明在线性近似下，引力波缺乏力的作用且依赖规范，因此物理上不充分。

实验结果

研究问题

• RQ1 鉴于引力波依赖于坐标系，能否认为广义相对论中的引力波具有物理实在性？
• RQ2 引力波缺乏守恒且不变的能量-动量张量，是否意味着其物理上不存在？
• RQ3 PSR 1913+16中观测到的周期衰减能否在不引入引力辐射的情况下得到解释？
• RQ4 用于预测双星系统能量损失的四极矩公式，在精确广义相对论中是否具有概念上的有效性？
• RQ5 广义相对论中所有波状解是否均可通过坐标变换消除，从而证明其缺乏物理实在性？

主要发现

• 在真空中引力张量为零，意味着无能量、动量或应力——因此引力波不可能携带物理能量。
• Levi-Civita 1917年的结果确立了在真空中唯一满足能量-动量条件的张量是爱因斯坦张量，且当质量张量为零时该张量亦为零。
• Scheidegger 1953年的分析证明，引力场中的辐射项是坐标选择的产物，可被消除，暗示无物理辐射发射。
• Infeld与Plebanski（1960）确认伪能量-动量张量是非物理的，且可通过调和函数任意改变，从而动摇了可测量辐射的概念。
• 基于测地线运动的非微扰证明表明，沿测地线运动的质点无法发射引力波，因其为自由粒子，类比于电磁学中的惯性运动。
• 任何波状度规均可通过坐标变换消除，证明其波状特征并非不变量，因此非物理——仅为坐标赝象。