vlnky v časoprostoru jsou to, co jsou gravitační vlny, a cestují vesmírem rychlostí… světlo ve všech směrech. Ačkoli se konstanty elektromagnetismu nikdy neobjevují v rovnicích pro Einsteinovu obecnou relativitu, rychlost gravitace se nepochybně rovná rychlosti světla. Tady je důvod.,
Evropská Gravitační Observatoř, Lionel BRET/EUROLIOS
Pokud by Slunce bylo spontánně přestanou vyzařovat světlo, nevěděli bychom o něm asi 8 minut a 20 sekund. Světlo, které přichází na Zemi právě v tuto chvíli, se vyzařované ze Slunce fotosféra omezené množství času v minulosti, a je jen vidět, nyní po cestě přes 150 milionů km (93 milionů mil) oddělení Slunce od Země. Kdyby teď mělo jít slunce do tmy, nezjistili bychom to, dokud světlo nepřestane přicházet.
ale co gravitačně?, Když Slunce bylo spontánně (nějak) odstraněn z existence, jak dlouho by Země měla zůstat ve své eliptické oběžné dráze, než letět rovně? Věřte tomu nebo ne, odpověď na to musí být přesně stejné množství času jako u světla: 8 minut a 20 sekund. Rychlost gravitace nejen rovná rychlosti světla neuvěřitelně přesné míry zkoumavě, ale tyto dvě konstanty musí být přesně stejné teoreticky, nebo Obecná teorie Relativity by se rozpadl. Tady je věda za proč.,
Newtonův zákon univerzální gravitace byl nahrazen Einsteinovou obecnou relativitou, ale… spoléhal se na koncept okamžité akce (síly) na dálku a je neuvěřitelně přímočarý. Gravitační konstanta v této rovnici, G, spolu s hodnotami obou hmot a vzdáleností mezi nimi, jsou jedinými faktory při určování gravitační síly. G se také objevuje v Einsteinově teorii.,
uživatel Wikimedia commons Dennis Nilsson
než přišla obecná relativita, naší nejúspěšnější teorií gravitace byl Newtonův univerzální gravitační zákon. Podle Newtona je gravitační síla mezi dvěma objekty v prostoru definovány jen čtyři parametry:
- gravitační konstantu Vesmíru, G, což je stejné pro všechny.
- hmotnost prvního objektu, m, který zažívá gravitační sílu. (Podle Einsteinova principu ekvivalence je to stejné m, které jde do zákonů pohybu, jako F = ma.,)
- hmotnost druhého objektu, M, který přitahuje první objekt.
- vzdálenost mezi nimi, r, která sahá od středu hmotnosti prvního objektu ke středu hmotnosti druhého.
mějte na paměti, že se jedná o jediné čtyři parametry, které jsou přípustné v newtonovské gravitaci. Můžete provádět všechny druhy výpočtů z tohoto zákona o síle, abyste odvodili například eliptické planetární oběžné dráhy kolem Slunce. Rovnice však fungují pouze v případě, že gravitační síla je okamžitá.,
oběžné dráhy osmi hlavních planet se liší excentricitou a rozdílem mezi perihelionem… (nejbližší přístup) a aphelion (nejvzdálenější vzdálenost) s ohledem na slunce. Neexistuje žádný zásadní důvod, proč jsou některé planety více či méně excentrické než jiné; je to prostě výsledek počátečních podmínek, ze kterých se vytvořila Sluneční Soustava., Nicméně, pokud jste se nějak turn “ off “ gravitační účinky Slunce, planety nechtěl odletět okamžitě, ale spíše vnitřní nich by odletět jako první, následuje vnější ty, jak gravitační signály ze Slunce pouze šíří směrem ven rychlostí gravitace, která by se rovnala rychlosti světla.
NASA / JPL-Caltech/R. Hurt
To by vás mohlo trochu hádat., Koneckonců, pokud je rychlost gravitace je jen rovná rychlosti světla, spíše než nekonečně rychlé síly, pak Země by měla být přitahovány na místo, kde Slunce bylo 8 minut a 20 sekund, ne tam, kde Slunce je právě teď, v tento konkrétní okamžik v čase. Ale pokud to uděláte výpočet místo, a umožní Zemi, aby být přitahovány k Slunci, v minulosti poloze, spíše než jeho aktuální polohy, můžete získat předpověď na jeho oběžné dráze, která je tak důkladně špatné, že sám Newton, s kvalitní pozorování vrací méně než 100 let (do doby, Tycho Brahe), mohlo by to vyloučili.,
Ve skutečnosti, pokud jste použili newtonovy zákony pro výpočet oběžné dráhy planet a požadoval, aby odpovídaly moderní pozorování, nejen že by rychlost gravitace muset být rychlejší než rychlost světla, muselo by to být minimálně 20 miliard krát rychlejší: k nerozeznání od nekonečné rychlosti.
přesný model toho, jak planety obíhají kolem Slunce, které se pak pohybuje galaxií v a… jiný směr pohybu., Kdyby se Slunce prostě vzkaz z existence, Newtonova teorie předpovídá, že by všichni okamžitě letět rovně, zatímco Einstein předpovídá, že vnitřní planety bude pokračovat obíhající za kratší dobu než vnější planety.
Rhys Taylor
problém je tento: pokud máte centrální síly, kde vázané částice jako (například) Země přitahuje Slunce, ale pohybuje se kolem Slunce (na orbitě, nebo rozmnožovací) konečnou rychlostí, bude to jen čistě eliptické dráze případě, že síla je rychlost šíření je nekonečný., Pokud je to konečné, nedostanete jen radiální zrychlení (směrem k druhé hmotě), ale také získáte komponentu, která tangenciálně zrychluje vaše částice.
to by způsobilo, že oběžné dráhy jsou nejen eliptické, ale nestabilní. Století se oběžné dráhy podstatně posunuly. Do roku 1805 Laplace použil pozorování Měsíce k prokázání, že rychlost newtonovské gravitace musí být 7 milionkrát vyšší než rychlost světla. Moderní omezení jsou nyní 20 miliardkrát vyšší než rychlost světla, což je skvělé pro Newton. To vše však Einsteina velmi zatěžovalo.,
Jeden revoluční aspekt relativistické pohybu, vztáhl Einstein, ale dříve vybudovali… Lorentz, Fitzgerald a další, že se rychle se pohybující objekty zdálo, že se zmenšují ve vesmíru a rozšiřují se v čase. Čím rychleji se pohybujete ve vztahu k někomu v klidu, tím větší jsou vaše délky, zatímco čím více času se zdá, že se rozšiřuje pro vnější svět., Tento obraz relativistické mechaniky nahradil starý Newtonovský pohled na klasickou mechaniku, ale také nese obrovské důsledky pro teorie, které nejsou relativisticky invariantní, jako newtonovská gravitace.
Curt Renshaw
Podle Einsteina, tam je velký problém, koncepčně, s Newtonův gravitační síla zákona: vzdálenost mezi dvěma objekty není absolutní veličina, ale spíše je závislá na pohybu pozorovatele., Pokud se pohybujete směrem nebo od jakékoli imaginární čáry, kterou nakreslíte, vzdálenosti v tomto směru se sníží v závislosti na vašich relativních rychlostech. Pro gravitační síla být spočitatelné množství, všichni pozorovatelé by mít konzistentní výsledky, něco, co nelze získat tím, že kombinuje relativity Newtonův gravitační silou zákona.
Proto, podle Einsteina, budete muset vyvinout teorii, která přinesla gravitace a relativistické pohyby dohromady, a to znamenalo, že rozvoj Obecné teorie Relativity: relativistická teorie pohybu, které se začlenit gravitaci do., Po dokončení, obecná relativita vyprávěla dramaticky jiný příběh.
animovaný pohled na to, jak časoprostor reaguje, když se hmota pohybuje, pomáhá přesně předvést, jak,… kvalitativně to není jen list z tkaniny, ale celý prostor sám dostane zakřivené přítomností a vlastnosti hmoty a energie ve Vesmíru. Všimněte si, že časoprostor lze popsat pouze tehdy, pokud zahrneme nejen polohu masivního objektu, ale kde je tato hmota umístěna v průběhu času., Okamžitá Poloha i minulá historie místa, kde byl tento objekt umístěn, určují síly, které zažívají objekty pohybující se vesmírem.
LucasVB
aby se různí pozorovatelé dohodli na tom, jak gravitace funguje, nemůže existovat nic jako absolutní prostor, absolutní čas nebo signál, který se šíří nekonečnou rychlostí., Místo, prostor a čas musí být relativní pro různé pozorovatele, a signály mohou šířit pouze rychlostí, která se přesně rovná rychlosti světla (je-li rozmnožovací částice se spinem), nebo rychlostí, která je nižší než rychlost světla (v případě, že částice má hmotnost).
aby to fungovalo, i když tam má být další efekt se vyruší problém non-nulové tečné zrychlení, které je vyvolané konečnou rychlost gravitace., Tento jev, známý jako gravitační aberace, je téměř přesně zrušen skutečností, že obecná relativita má také interakce závislé na rychlosti. Jako Země se pohybuje vesmírem, například, to je síla od Slunce mění, jak se mění jeho postavení, stejně jako loď cestování přes oceán přijde v jiné pozici, jak to dostane zvedl a snížil opět na procházející vlny.
Gravitační záření je emitováno vždy, když hmota obíhá další, což znamená, že za dlouho… dost času, oběžné dráhy se rozpadnou., Než se vůbec první černá díra vypaří, země se do toho, co zbylo ze Slunce, za předpokladu, že nic jiného ji předtím nevyhodilo. Země je přitahována tam, kde bylo Slunce přibližně před 8 minutami, ne tam, kde je dnes.
Americká fyzická společnost
Co je pozoruhodné a v žádném případě zřejmé, je to, že tyto dva účinky se téměř přesně zruší., Skutečnost, že rychlost těžiště je konečný je to, co vyvolává tento gravitační aberace, ale skutečnost, že Obecná teorie Relativity (na rozdíl od Newtonovské gravitace) má rychlost-závislé interakce je to, co dovoleno Newtonovské gravitace být tak dobré aproximace. Existuje pouze jedna rychlost, která funguje, aby se toto zrušení stalo dobrým: pokud se rychlost gravitace rovná rychlosti světla.
takže to je teoretická motivace, proč by se rychlost gravitace měla rovnat rychlosti světla., Pokud chcete, aby planetární oběžné dráhy byly v souladu s tím, co jsme viděli, a aby byly konzistentní pro všechny pozorovatele, potřebujete rychlost gravitace, která se rovná c, a aby vaše teorie byla relativisticky invariantní. Je tu však ještě jedna námitka. Obecně relativita, zrušení mezi gravitační aberací a termínem závislým na rychlosti je téměř přesné, ale ne úplně. Pouze správný systém může odhalit rozdíl mezi einsteinovými a Newtonovými předpovědi.,
když se hmota pohybuje přes oblast zakřiveného prostoru,zažije zrychlení v důsledku… zakřivený prostor, který obývá. Také zažívá další efekt díky své rychlosti, když se pohybuje oblastí, kde se prostorové zakřivení neustále mění. Tyto dva efekty, když jsou kombinovány, vedou k mírnému, malému rozdílu od předpovědí Newtonovy gravitace.,
David Champion, Max Planck Institute for Radio Astronomy
V našem sousedství, síla Sluneční gravitace je příliš slabá, aby vytvořily měřitelný efekt. Co bys chtěl, je systém, který měl velké gravitační pole na malé vzdálenosti od masivní zdroj, kde rychlost pohybujícího se objektu je oba rychlé a mění (zrychluje) rychle, v gravitačním poli s velkým gradientem.
naše Slunce nám to nedává, ale prostředí kolem binární černé díry nebo binární neutronové hvězdy Ano!, V ideálním případě tento efekt předvede systém s masivním objektem pohybujícím se měnící se rychlostí prostřednictvím měnícího se gravitačního pole. A binární neutronový hvězdný systém, kde jedna z neutronových hvězd je velmi přesný pulsar, přesně odpovídá účtu.
když máte jeden objekt, jako pulsar, obíhající ve vesmíru, bude to pokaždé pulsovat… dokončí rotaci o 360 stupňů na fortuitně zarovnaného pozorovatele., Pokud máte místo, které pulsar v binárním systému s jiným husté, masivní objekt, to bude pohybovat rychle přes to, že prostor, vystavovat i účinky gravitační aberace a rychlost-závislé interakce, a jejich nepřesné storno umožňuje vědcům rozeznat relativistické předpovědi pro tento systém od Newtonovské ty.
ESO / L. Calçada
a pulsar, a zejména milisekundový pulsar, je nejlepší přírodní hodiny ve vesmíru., Když se neutronová hvězda otáčí, vydává proud elektromagnetického záření, který má šanci být vyrovnán s perspektivou Země jednou za 360 stupňů rotace. Pokud je zarovnání správné, budeme pozorovat tyto impulsy přicházející s mimořádně předvídatelnou přesností a přesností.
Pokud je pulsar v binárním systému, pak pohyb tímto měnícím se gravitačním polem způsobí emise gravitačních vln, které přenášejí energii z gravitačního systému. Ztráta této energie musí přijít odněkud a je kompenzována rozpadem oběžných drah pulsaru., Předpovědi pulsar kaz je vysoce citlivý na rychlost, gravitace; pomocí i první binární pulsar systém, který kdy byl objeven sám, PSR 1913+16 (nebo Hulsei-Taylor binární), nám umožnilo omezit rychlost gravitace rovná rychlosti světla v jen 0,2%!
rychlost orbitálního rozpadu binárního pulsaru je velmi závislá na rychlosti gravitace a… orbitální parametry binárního systému. Použili jsme binární pulsar data omezit rychlost gravitace se rovná rychlosti světla na přesnost 99.,8%, a odvodit existenci gravitačních vln desetiletí předtím, než je LIGO a Virgo detekovaly. Nicméně, přímá detekce gravitačních vln byl důležitou součástí vědeckého procesu, a existence gravitačních vln by byl stále na pochybách bez.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer (R)
Od té doby, další měření také prokázala rovnocennost mezi rychlostí světla a rychlost gravitace., V roce 2002, shoda náhod způsobila, Země, Jupiter, a velmi silný rádiový kvasar (známý jako QSO J0842+1835), aby se vše sladit. Jako Jupiter prošel mezi zemí a quasar, její gravitační účinky způsobené starlight ohýbat v módě, která byla rychlost-of-gravitaci závislá.,
Jupiter udělal, ve skutečnosti, ohýbat světlo z kvasaru, což nám umožňuje vyloučit nekonečné rychlosti je rychlost gravitace a zjistit, že to byl vlastně mezi 255 milionů a 381 milionů metrů za sekundu, v souladu s přesnou hodnotu pro rychlost světla (299 792 458 metrů za s) a také s Einsteinovy předpovědi. Ještě nedávno nám první pozorování gravitačních vln přinesla ještě přísnější omezení.
ilustrace rychlého výbuchu gama záření, dlouho se myslelo, že došlo ke sloučení neutronových hvězd. The…, plyn-bohaté prostředí, které je obklopují, by mohla zpozdit příchod signálu, vysvětlovat pozorované 1.7 druhý rozdíl mezi příjezdy gravitační a elektromagnetické anomálie. To je nejlepší důkaz, který máme, pozorovatelně, že rychlost gravitace se musí rovnat rychlosti světla.,
ESO
Od první gravitační vlny detekovány a rozdíl v jejich časech příjezdu na Hanford, WA a Livingston, LA, jsme přímo se dozvěděl, že rychlost těžiště rovnala rychlosti světla do o 70%, což není zlepšení oproti pulsar načasování omezení. Ale když 2017 viděl příchod obou gravitačních vln a světla z fúze neutronové hvězdy a neutronové hvězdy, skutečnost, že signály gama záření přišly jen 1.,7 sekund po gravitačních vln signálu, přes cestu více než 100 milionů světelných let, nás učili, že rychlost světla a rychlost těžiště liší o více než 1 kvadrilion: 1015.
tak dlouho, Jak gravitační vlny a fotony nemají klidovou hmotnost, fyzikální zákony říkají, že musí pohybovat přesně stejnou rychlostí: rychlost světla, což se musí rovnat rychlosti gravitace., Ještě předtím, než omezení, máš to nádherný, vyžadující, že gravitační teorie reprodukovat Newtonovské oběžné dráhy a zároveň je relativistically invariantní vede k nevyhnutelnému závěru. Rychlost gravitace je přesně rychlost světla a fyzika by to nedovolila jinak.