krusninger i rumtiden er, hvad gravitationsbølger er, og de rejser gennem rummet med hastigheden af… lys i alle retninger. Selvom elektromagnetismens konstanter aldrig vises i ligningerne for Einsteins generelle relativitet, er tyngdekraften utvivlsomt lig med lysets hastighed. Her er hvorfor.,
European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS
Hvis solen spontant skulle ophøre med at udsende lys, ville vi ikke vide det i cirka 8 minutter og 20 sekunder. Lyset, der ankommer her på jorden, lige i dette øjeblik, blev udsendt fra solens fotosfære en begrænset mængde tid i fortiden, og ses først nu efter en rejse over de 150 millioner km (93 millioner miles), der adskiller solen fra jorden. Hvis Solen skulle gå mørkt lige nu, ville vi ikke finde ud af det, før lyset stoppede med at ankomme.
men hvad med gravitationally?, Hvis solen spontant (på en eller anden måde) blev fjernet fra eksistensen, hvor længe ville jorden forblive i sin elliptiske bane, før den flyver i en lige linje? Tro det eller ej, svaret på dette skal være nøjagtigt den samme tid som det var for lys: 8 minutter og 20 sekunder. Tyngdekraften er ikke kun lig med lysets hastighed i en utrolig præcis grad observatorisk, men disse to konstanter skal være nøjagtigt ens teoretisk, ellers ville generel relativitet falde fra hinanden. Her er videnskaben bag hvorfor.,
ne .tons lov om universel Gravitation er blevet erstattet af Einsteins generelle relativitet, men… påberåbt sig begrebet en øjeblikkelig handling (kraft) på afstand, og er utrolig ligetil. Gravitationskonstanten i denne ligning, G, sammen med værdierne af de to masser og afstanden mellem dem, er de eneste faktorer ved bestemmelse af en gravitationskraft. G vises også i Einsteins teori.,
userikimedia commons-bruger Dennis Nilsson
før generel relativitet kom sammen, var vores mest succesrige tyngdekraftsteori ne .tons universelle gravitationslov. Ifølge ne .ton er tyngdekraften mellem to objekter i rummet defineret af kun fire parametre:
- universets gravitationskonstant, G, som er den samme for alle.
- massen af det første objekt, m, som oplever tyngdekraften. (Ved Einsteins ækvivalensprincip er dette det samme m, der går ind i bevægelseslovene, som f = ma.,)
- massen af det andet objekt, M, som tiltrækker det første objekt.
- afstanden mellem dem, r, som strækker sig fra midten af massen af det første objekt til midten af massen af det andet.
Husk, at dette er de eneste fire parametre, der er tilladte i Ne .tonsk gravitation. Du kan udføre alle mulige beregninger fra denne kraftlov for at udlede for eksempel elliptiske planetariske kredsløb omkring Solen. Men ligningerne fungerer kun, hvis tyngdekraften er øjeblikkelig.,
banerne for de otte store planeter varierer i e .centricitet og forskellen mellem perihelion… (nærmeste tilgang) og aphelion (fjerneste afstand) med hensyn til Solen. Der er ingen grundlæggende grund til, at nogle planeter er mere eller mindre e .centriske end hinanden; det er simpelthen et resultat af de oprindelige forhold, hvorfra solsystemet dannede sig., Men hvis man på en eller anden måde skulle ‘slukke’ for solens gravitationseffekter, ville planeterne ikke flyve væk øjeblikkeligt, men snarere ville de indre flyve væk først, efterfulgt af de ydre, da gravitationssignalerne fra Solen kun forplantes udad ved tyngdekraften, som burde svare til lysets hastighed.
NASA / JPL-Caltech/R. Hurt
dette kan pusle dig lidt., Når alt kommer til alt, hvis tyngdekraften kun er lig med lysets hastighed, snarere end en uendelig hurtig kraft, skal jorden tiltrækkes til, hvor Solen var 8 minutter og 20 sekunder siden, ikke hvor solen er lige nu, på dette tidspunkt. Men hvis du gør, at beregningen i stedet, og give Jorden til at blive tiltrukket af Solens sidste position snarere end dens nuværende position, du får en forudsigelse for sin bane, der er så grundigt forkert, at Newton selv, med kvalitet observationer at gå tilbage for mindre end 100 år (til den tid af Tycho Brahe), der kunne have styret den ud.,faktisk, hvis du brugte ne .tons love til at beregne planeternes baner og krævede, at de matcher moderne observationer, skulle tyngdekraften ikke kun være hurtigere end lysets hastighed, det skulle være mindst 20 milliarder gange hurtigere: kan ikke skelnes fra en uendelig hastighed.
en nøjagtig model af, hvordan planeterne kredser om Solen, som derefter bevæger sig gennem galaksen i en… forskellig bevægelsesretning., Hvis solen blot skulle blinke ud af eksistensen, forudsiger ne .tons teori, at de alle øjeblikkeligt ville flyve i lige linjer, mens Einsteins forudsiger, at de indre planeter ville fortsætte i kredsløb i kortere perioder end de ydre planeter.
Rhys Taylor
problemet er dette: hvis du har en central kraft, hvor en bundet partikel kan lide (for eksempel) Jorden er tiltrukket af Solen, men bevæger sig omkring Solen (kredsende, eller formeringsmateriale) med en bestemt hastighed, vil du kun få et rent elliptiske kredsløb, hvis der tvinger ‘ s formering hastighed er uendelig., Hvis det er endeligt, får du ikke bare en radial acceleration (mod den anden masse), men du får også en komponent, der accelererer din partikel tangentielt.dette ville gøre kredsløb ikke kun elliptiske, men ustabile. På omfanget af blot et århundrede, baner ville skifte væsentligt. Ved 1805, Laplace havde brugt observationer af Månen til at påvise, at hastigheden af Ne .tonian tyngdekraften skal være 7 millioner gange større end lysets hastighed. Moderne begrænsninger er nu 20 milliarder gange lysets hastighed, hvilket er fantastisk til ne .ton. Men alt dette lagde en stor byrde på Einstein.,
et revolutionerende aspekt af relativistisk bevægelse, fremsat af Einstein, men tidligere opbygget af… Lorent., Fit .gerald, og andre, at hurtigt bevægelige objekter syntes at trække sig sammen i rummet og udvides i tide. Jo hurtigere du bevæger dig i forhold til en person i ro, jo større ser dine længder ud til at være kontraheret, mens jo mere tid ser ud til at udvide sig for omverdenen., Dette billede, af den relativistiske mekanik, erstattes den gamle Newtonske opfattelse af klassisk mekanik, men også bærer enorme konsekvenser for teorier, der ikke relativistically invariant, som Newtonsk tyngdekraft.
Curt Renshaw
Ifølge Einstein, der er et stort problem, konceptuelt, med Newtons gravitationelle kraft lov: afstanden mellem to objekter er ikke en absolut mængde, men snarere er afhængig af bevægelse af iagttageren., Hvis du bevæger dig mod eller væk fra en imaginær linje, du tegner, vil afstande i den retning trække sig sammen, afhængigt af dine relative hastigheder. For at tyngdekraften skal være en beregnelig mængde, skal alle observatører udlede konsistente resultater, noget du ikke kan få ved at kombinere relativitet med Ne .tons gravitationskraft lov.
derfor skal du ifølge Einstein udvikle en teori, der bragte gravitation og relativistiske bevægelser sammen, og det betød at udvikle generel relativitet: en relativistisk teori om bevægelse, der inkorporerede tyngdekraften i den., Når den generelle relativitet var afsluttet, fortalte en dramatisk anden historie.
en animeret kig på, hvordan spacetime reagerer som en masse bevæger sig gennem det hjælper fremvise præcis, hvordan,… kvalitativt er det ikke kun et ark stof, men hele rummet bliver buet af stoffets og energiens tilstedeværelse og egenskaber i universet. Bemærk, at rumtid kun kan beskrives, hvis vi ikke kun inkluderer placeringen af det massive objekt, men hvor denne masse er placeret gennem tiden., Både øjeblikkelig placering og den tidligere historie, hvor objektet var placeret, bestemmer de kræfter, der opleves af objekter, der bevæger sig gennem universet.
LucasVB
for at få forskellige observatører til at blive enige om, hvordan tyngdekraften virker, er der ikke sådan noget som absolut rum, absolut tid, eller et signal, der udbreder sig på uendelig hastighed., I stedet skal rum og tid begge være relative for forskellige observatører, og signaler kan kun formere sig ved hastigheder, der nøjagtigt svarer til lysets hastighed (hvis den formerende partikel er masseløs) eller ved hastigheder, der er under lysets hastighed (hvis partiklen har masse).
for at dette skal fungere, skal der dog være en yderligere effekt for at annullere problemet med en ikke-nul tangentiel acceleration, som induceres af en endelig tyngdekraft., Dette fænomen, kendt som gravitationsafvigelse, annulleres næsten nøjagtigt af det faktum, at generel relativitet også har hastighedsafhængige interaktioner. Når jorden bevæger sig gennem rummet, føler den for eksempel kraften fra solen, når den ændrer sin position, på samme måde som en båd, der rejser gennem Havet, kommer ned i en anden position, når den løftes op og sænkes igen ved en forbipasserende bølge.
gravitationsstråling udsendes, når en masse kredser om en anden, hvilket betyder det over længe… nok tidsplaner, baner vil henfalde., Før det første sorte hul nogensinde fordamper, vil jorden spiral ind i hvad der er tilbage af solen, forudsat at intet andet har skubbet det tidligere. Jorden tiltrækkes af, hvor Solen var cirka 8 minutter siden, ikke til, hvor den er i dag.
American Physical Society
Hvad er bemærkelsesværdigt, og på ingen måde indlysende, er, at disse to effekter annullerer næsten nøjagtigt., Det forhold, at hastigheden af tyngdekraften er begrænset er, hvad der fremkalder denne gravitationelle aberration, men det faktum, at den Generelle Relativitetsteori (i modsætning til Newtons tyngdekraft) har hastigheds-afhængig interaktioner er, hvad der er tilladt Newtonske tyngdekraft til at være sådan en god tilnærmelse. Der er kun speedn hastighed, der arbejder for at gøre denne annullering en god en: hvis tyngdekraften er lig med lysets hastighed.
så det er den teoretiske motivation for, hvorfor tyngdekraften skal svare til lysets hastighed., Hvis I ønsker, at planetbanerne skal være i overensstemmelse med det, vi har set, og for at være konsistente for alle observatører, har i brug for en tyngdekraft, der er lig med c, og for at jeres teori skal være relativistisk invariant. Der er dog en anden advarsel. Generelt relativitet er aflysningen mellem gravitationsafvigelsen og det hastighedsafhængige udtryk næsten nøjagtig, men ikke helt. Kun det rigtige system kan afsløre forskellen mellem Einsteins og Ne .tons forudsigelser.,
Når en masse bevæger sig gennem et område med buet rum, vil det opleve en acceleration på grund af… buet rum det beboer. Det oplever også en yderligere effekt på grund af dens hastighed, når den bevæger sig gennem et område, hvor den rumlige krumning konstant ændrer sig. Disse to effekter, når de kombineres, resulterer i en lille, lille forskel fra forudsigelserne om Ne .tons tyngdekraft.,
David Champion, Ma.Planck Institute for Radio Astronomy
i vores eget kvarter er kraften i solens tyngdekraft alt for svag til at producere en målbar effekt. Hvad du ønsker, er et system, der havde store gravitationsfelter på små afstande fra en massiv kilde, hvor hastigheden af det bevægelige objekt er både hurtigt og skiftende (fremskynde) hurtigt, i et tyngdefelt med en stor gradient.
vores Sol giver os ikke det, men miljøet omkring enten et binært sort hul eller en binær neutronstjerne gør det!, Ideelt set vil et system med en massiv genstand, der bevæger sig med en skiftende hastighed gennem et skiftende tyngdefelt, vise denne effekt. Og et binært neutronstjernesystem, hvor en af neutronstjernerne er en meget præcis pulsar, passer nøjagtigt til regningen.
Når du har et enkelt objekt, som en pulsar, der kredser i rummet, vil det pulsere hver gang det… afslutter en 360 graders rotation til en tilfældigt justeret observatør., Hvis du placerer, at pulsar i et binært system med en anden tæt, massiv genstand, vil det bevæge sig hurtigt gennem det rum, der udstiller både virkninger af tyngdekraften aberration og velocity-afhængige interaktioner, og deres ukorrekte annullering giver forskerne mulighed for at skelne den relativistiske forudsigelser for dette system fra den Newtonske dem.
ESO/L. Cal .ada
en pulsar, og især en millisekund pulsar, er det bedste naturlige ur i universet., Når neutronstjernen drejer, udsender den en stråle af elektromagnetisk stråling, der har en chance for at blive justeret med jordens perspektiv en gang hver 360 graders rotation. Hvis justeringen er rigtig, vil vi observere disse impulser ankommer med ekstraordinært forudsigelig nøjagtighed og præcision.
Hvis pulsaren er i et binært system, vil det imidlertid medføre emission af gravitationsbølger, der bærer energi væk fra gravitationssystemet, at bevæge sig gennem det skiftende gravitationsfelt. Tabet af denne energi skal komme fra et sted og kompenseres af forfaldet af pulsarens baner., Forudsigelserne af pulsar henfald er meget følsomme over for tyngdekraften; ved hjælp af selv den allerførste binære pulsar system nogensinde opdaget af sig selv, PSR 1913+16 (eller Hulse-Taylor binary), tillod os at begrænse hastigheden af tyngdekraften til at være lig med lysets hastighed til inden for kun 0,2%!
hastigheden af orbital henfald af en binær pulsar er meget afhængig af tyngdekraften og… orbitalparametre for det binære system. Vi har brugt binære pulsar data til at begrænse tyngdekraften til at være lig med lysets hastighed til en præcision på 99.,8%, og for at udlede eksistensen af gravitationsbølger årtier før LIGO og Jomfru opdagede dem. Den direkte påvisning af gravitationsbølger var imidlertid en vigtig del af den videnskabelige proces, og eksistensen af gravitationsbølger ville stadig være i tvivl uden den.NASA (L), Ma.Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer (r)
siden da har andre målinger også vist ækvivalensen mellem lysets hastighed og tyngdekraften., I 2002 forårsagede tilfældigt tilfældighed Jorden, Jupiter og en meget stærk radiokvasar (kendt som JSO J0842+1835) til alle align. Da Jupiter passerede mellem Jorden og kvasaren, dens tyngdekraftseffekter fik stjernelyset til at bøje sig på en måde, der var afhængig af tyngdekraften.,
Jupiter har i virkeligheden, bøje lyset fra kvasaren, der sætter os i stand til at udelukke en uendelig hastighed for den hastighed, tyngdekraften og fastslå, at det faktisk var mellem 255 millioner og 381 millioner meter per sekund, i overensstemmelse med den nøjagtige værdi for lysets hastighed (299,792,458 m/s) og også med Einsteins forudsigelser. Endnu for nylig bragte de første observationer af gravitationsbølger os endnu strammere begrænsninger.
Illustration af en hurtig gammastråle burst, længe tænkt at forekomme fra fusionen af neutronstjerner. Den…, gasrige omgivelser omkring dem kunne forsinke signalets ankomst og forklare den observerede 1, 7 sekunders forskel mellem ankomsterne af gravitations-og elektromagnetiske signaturer. Dette er det bedste bevis, Vi har, observationelt, at tyngdekraften skal svare til lysets hastighed.,
ESO ‘
Fra den allerførste gravitationel bølge opdaget, og forskellen i deres ankomsttidspunkt på Hanford, WA og Livingston, LA, vi direkte har lært, at hastigheden af tyngdekraften lig lysets hastighed på omkring 70%, hvilket ikke er en forbedring i forhold til pulsar tidsmæssige begrænsninger. Men da 2017 så ankomsten af både gravitationsbølger og lys fra en neutronstjerne-neutronstjernefusion, kom gammastrålesignaler kun 1.,7 sekunder efter gravitationsbølgesignalet, på tværs af en rejse på over 100 millioner lysår, lærte os, at lysets hastighed og tyngdekraften ikke adskiller sig med mere end 1 del i en kvadrillion: 1015.
så længe gravitationsbølger og fotoner ikke har nogen hvilemasse, dikterer fysikkens love, at de skal bevæge sig med nøjagtig samme hastighed: lysets hastighed, som skal svare til tyngdekraften., Selv før begrænsningerne fik dette spektakulære, kræver det, at en gravitationsteori gengiver ne .tonske baner, mens den samtidig er relativistisk invariant fører til denne uundgåelige konklusion. Tyngdekraften er præcis lysets hastighed, og fysik ville ikke have tilladt det at være nogen anden måde.