[论文解读] No GW is emitted by B PSR1913+16

A. Loinger|ArXiv.org|Feb 16, 2005

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 11被引用 5

一句话总结

本文主张，根据广义相对论（GR）的精确非线性形式，双星脉冲星PSR B1913+16不会发射引力波（GWs），因为质点质量的轨道运动遵循测地线（自由）轨迹而无辐射。观测到的轨道衰减则归因于其他机制，如非中子星伴星中的黏性损耗，从而挑战了引力波辐射是周期衰减原因的广泛接受解释。

ABSTRACT

In the exact (non-linear) formulation of general relativity (GR) no motion of bodies can give origin to gravitational waves (GW's) - as it has been proved. Accordingly, the measured rate of change of the orbital period of binary pulsar B PSR1913+16 must have other causes, different from the emission of GW's; maybe the viscous losses of the unseen pulsar companion, if it were e.g. a helium star.

研究动机与目标

• 挑战广泛接受的观点，即PSR B1913+16观测到的轨道衰减是由引力波辐射引起的。
• 论证广义相对论的精确非线性形式不允许两个引力束缚质点质量发射引力波。
• 批判线性化GR及其与麦克斯韦-洛伦兹电动力学的虚假类比在证明引力波物理真实性方面的应用。
• 提出非中子星伴星（如氦星）中的黏性耗散可能解释观测到的周期衰减，而无需引入引力波。
• 强调与GR预测的实验一致性并不能保证其基本假设在概念或物理上的有效性。

提出的方法

• 利用赫尔曼·外尔定理表明，在GR中总可选择一个坐标系，使PSR B1913+16的两颗恒星均处于静止状态，从而在该参考系中不发射引力波。
• 应用广义协变性原理，论证没有任何观察者拥有对辐射场的特权访问权，因此若一个观察者未观测到引力波，则任何观察者均无法观测到。
• 分析GR的线性化近似，表明其作为证明引力波物理存在的基础失败，因为辐射项具有坐标依赖性。
• 证明在GR的高阶微扰展开中，可通过坐标变换消除辐射项，从而表明引力波是规范（gauge）效应而非物理实体。
• 对比线性化GR与麦克斯韦-洛伦兹电动力学之间的形式类比，指出该类比具有误导性，因为引力波在精确GR中缺乏不变的物理意义。
• 评估Peters和Mathews公式对轨道衰减速率的推导，质疑其物理基础，主张若引力波不存在，则能量损失必源于非辐射机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 广义相对论的精确非线性形式是否允许双质点质量系统发射引力波？
• RQ2 PSR B1913+16的观测轨道衰减能否在不假设引力波发射的情况下得到解释？
• RQ3 GR的线性化近似是否足以确立引力波的物理存在性？
• RQ4 在微扰GR中，坐标依赖性在引力波表观存在性中起何作用？
• RQ5 非中子星伴星（如氦星）中的黏性损耗是否可能模仿引力波辐射所导致的效应？

主要发现

• 精确的广义相对论形式禁止两个引力束缚质点质量发射引力波，因为其运动遵循测地线（自由）轨迹。
• 在两颗恒星均静止的坐标系中，不发射引力波，且由于广义协变性，该系统中无任何观察者可探测到辐射。
• GR的线性化近似无法建立引力波的物理存在定理，因为辐射项具有规范依赖性，可通过坐标变换消除。
• 线性化GR与麦克斯韦-洛伦兹电动力学之间的类比在根本上是错误的，因为引力波在精确GR中缺乏不变的物理意义。
• 非中子星伴星（如氦星）中的黏性损耗可产生与引力波辐射预测量级相当的轨道衰减，提供一种可行的替代解释。
• 观测到的轨道衰减速率与GR预测值的一致性并非引力波发射的决定性证据，可能源于系统误差或其它物理机制。