Wenn die Sonne spontan aufhören würde, Licht auszustrahlen, würden wir ungefähr 8 Minuten und 20 Sekunden lang nichts darüber wissen. Das Licht, das genau in diesem Moment hier auf der Erde ankommt, wurde in der Vergangenheit endlich von der Photosphäre der Sonne emittiert und wird erst jetzt nach einer Reise über die 150 Millionen km (93 Millionen Meilen) gesehen die Sonne von der Erde trennen. Wenn die Sonne jetzt dunkel würde, würden wir es nicht herausfinden, bis das Licht aufhört zu kommen.

Aber was ist Schwerkraft?, Wenn die Sonne spontan (irgendwie) von der Existenz entfernt wäre, wie lange würde die Erde in ihrer elliptischen Umlaufbahn bleiben, bevor sie in einer geraden Linie abfliegt? Ob Sie es glauben oder nicht, die Antwort darauf muss genau die gleiche Zeit sein wie für Licht: 8 Minuten und 20 Sekunden. Die Geschwindigkeit der Schwerkraft entspricht nicht nur der Lichtgeschwindigkeit in einem unglaublich genauen Beobachtungsgrad, sondern diese beiden Konstanten müssen theoretisch genau gleich sein, sonst würde die Allgemeine Relativitätstheorie auseinanderfallen. Hier ist die Wissenschaft hinter, warum.,

Bevor die Allgemeine Relativitätstheorie kam, war unsere erfolgreichste Gravitationstheorie Newtons universelles Gravitationsgesetz. Nach Newton, die Gravitationskraft zwischen zwei beliebigen Objekten im Raum durch nur vier Parameter definiert:

1. Die Gravitationskonstante des Universums, G, die für alle gleich ist.
2. Die Masse des ersten Objekts, m, das die Gravitationskraft erfährt. (Nach Einsteins Äquivalenzprinzip ist dies dasselbe m, das in die Bewegungsgesetze eingeht, wie F = ma.,)
3. Die Masse des zweiten Objekts, M, die das erste Objekt anzieht.
4. Der Abstand zwischen ihnen, r, der sich vom Massenmittelpunkt des ersten Objekts zum Massenmittelpunkt des zweiten erstreckt.

Beachten Sie, dass dies die einzigen vier Parameter sind, die in der Newtonschen Gravitation zulässig sind. Sie können alle Arten von Berechnungen aus diesem Kraftgesetz durchführen, um beispielsweise elliptische Planetenbahnen um die Sonne abzuleiten. Die Gleichungen funktionieren jedoch nur, wenn die Gravitationskraft augenblicklich ist.,

Diese möglicherweise puzzle, das Sie ein wenig., Wenn die Geschwindigkeit der Schwerkraft nur der Lichtgeschwindigkeit und nicht einer unendlich schnellen Kraft entspricht, sollte die Erde schließlich dort angezogen werden, wo die Sonne vor 8 Minuten und 20 Sekunden war, nicht dort, wo sich die Sonne gerade befindet, zu diesem bestimmten Zeitpunkt. Aber wenn Sie stattdessen diese Berechnung durchführen und zulassen, dass die Erde von der früheren Position der Sonne und nicht von ihrer aktuellen Position angezogen wird, erhalten Sie eine Vorhersage für ihre Umlaufbahn, die so gründlich falsch ist, dass Newton selbst mit Qualitätsbeobachtungen, die weniger als 100 Jahre zurückreichen (zur Zeit von Tycho Brahe), hätte es ausschließen können.,

Wenn Sie Newtons Gesetze zur Berechnung der Umlaufbahnen der Planeten verwenden und fordern würden, dass sie modernen Beobachtungen entsprechen, müsste nicht nur die Schwerkraftgeschwindigkeit schneller sein als die Lichtgeschwindigkeit, sie müsste mindestens 20 Milliarden Mal schneller sein: nicht zu unterscheiden von einer unendlichen Geschwindigkeit.

Das Problem ist Folgendes: Wenn Sie eine zentrale Kraft haben, bei der ein gebundenes Teilchen wie (zum Beispiel) die Erde von der Sonne angezogen wird, sich aber mit endlicher Geschwindigkeit um die Sonne bewegt (umkreist oder sich ausbreitet), erhalten Sie nur eine rein elliptische Umlaufbahn, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Kraft unendlich ist., Wenn es endlich ist, erhalten Sie nicht nur eine radiale Beschleunigung (in Richtung der anderen Masse), sondern auch eine Komponente, die Ihr Teilchen tangential beschleunigt.

Dies würde Umlaufbahnen nicht nur elliptisch, sondern auch instabil machen. Auf der Skala von nur einem Jahrhundert würden sich die Umlaufbahnen erheblich verschieben. Bis 1805 hatte Laplace Beobachtungen des Mondes verwendet, um zu zeigen, dass die Geschwindigkeit der newtonschen Schwerkraft 7 Millionen Mal größer sein muss als die Lichtgeschwindigkeit. Moderne Einschränkungen sind jetzt 20 Milliarden Mal die Lichtgeschwindigkeit, was für Newton großartig ist. Aber all dies belastete Einstein sehr.,

Laut Einstein gibt es konzeptionell ein großes Problem mit Newtons Gravitationskraftgesetz: Der Abstand zwischen zwei Objekten ist keine absolute Größe, sondern hängt von der Bewegung des Beobachters ab., Wenn Sie sich zu oder von einer imaginären Linie bewegen, die Sie zeichnen, ziehen sich die Entfernungen in dieser Richtung zusammen, abhängig von Ihren relativen Geschwindigkeiten. Damit die Gravitationskraft eine berechenbare Größe ist, müssten alle Beobachter konsistente Ergebnisse ableiten, was Sie nicht erhalten können, wenn Sie die Relativität mit dem Newtonschen Gravitationskraftgesetz kombinieren.

Daher müsste man laut Einstein eine Theorie entwickeln, die Gravitation und relativistische Bewegungen zusammenbringt, und das bedeutete die Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie: eine relativistische Bewegungstheorie, die die Schwerkraft in sie einbezog., Einmal abgeschlossen, erzählte die Allgemeine Relativitätstheorie eine dramatisch andere Geschichte.

Um verschiedene Beobachter dazu zu bringen, sich darüber zu einigen, wie die Gravitation funktioniert, kann es keinen absoluten Raum, keine absolute Zeit oder ein Signal geben, das sich mit unendlicher Geschwindigkeit ausbreitet., Stattdessen müssen Raum und Zeit für verschiedene Beobachter relativ sein, und Signale können sich nur mit Geschwindigkeiten ausbreiten, die genau der Lichtgeschwindigkeit entsprechen (wenn das sich ausbreitende Teilchen massenlos ist) oder mit Geschwindigkeiten, die unter der Lichtgeschwindigkeit liegen (wenn das Teilchen Masse hat).

Damit dies funktioniert, muss es jedoch einen zusätzlichen Effekt geben, um das Problem einer tangentialen Beschleunigung ungleich Null, die durch eine endliche Schwerkraftgeschwindigkeit induziert wird, aufzuheben., Dieses Phänomen, das als Gravitationsaberration bezeichnet wird, wird fast genau dadurch aufgehoben, dass die Allgemeine Relativität auch geschwindigkeitsabhängige Wechselwirkungen aufweist. Wenn sich die Erde beispielsweise durch den Weltraum bewegt, spürt sie, wie sich die Kraft der Sonne ändert, wenn sie ihre Position ändert, genauso wie ein Boot, das durch den Ozean fährt, in einer anderen Position herunterkommt, wenn es durch eine vorübergehende Welle angehoben und wieder abgesenkt wird.

Bemerkenswert und keineswegs offensichtlich ist, dass diese beiden Effekte fast genau abbrechen., Die Tatsache, dass die Geschwindigkeit der Schwerkraft endlich ist, induziert diese Gravitationsaberration, aber die Tatsache, dass die Allgemeine Relativität (im Gegensatz zur newtonschen Schwerkraft) geschwindigkeitsabhängige Wechselwirkungen aufweist, ermöglichte es der newtonschen Schwerkraft, eine so gute Annäherung zu sein. Es gibt nur eine Geschwindigkeit, die diese Annullierung zu einer guten macht: Wenn die Schwerkraft der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Das ist also die theoretische Motivation, warum die Schwerkraft der Lichtgeschwindigkeit entsprechen sollte., Wenn Sie möchten, dass Planetenbahnen mit dem übereinstimmen, was wir gesehen haben, und für alle Beobachter konsistent sind, benötigen Sie eine Gravitationsgeschwindigkeit, die c entspricht, und Ihre Theorie relativistisch invariant sein zu lassen. Es gibt jedoch eine weitere Einschränkung. In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Aufhebung zwischen der Gravitationsaberration und dem geschwindigkeitsabhängigen Term fast genau, aber nicht ganz. Nur das richtige System kann den Unterschied zwischen Einsteins und Newtons Vorhersagen aufdecken.,

In unserer eigenen Nachbarschaft ist die Schwerkraft der Sonne viel zu schwach, um einen messbaren Effekt zu erzielen. Was Sie möchten, ist ein System mit großen Gravitationsfeldern in kleinen Abständen von einer massiven Quelle, bei dem die Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts in einem Gravitationsfeld mit einem großen Gradienten sowohl schnell als auch sich schnell ändert (beschleunigt).

Unsere Sonne gibt uns das nicht, aber die Umgebung um ein binäres Schwarzes Loch oder einen binären Neutronenstern tut es!, Idealerweise wird ein System mit einem massiven Objekt, das sich mit einer sich ändernden Geschwindigkeit durch ein sich änderndes Gravitationsfeld bewegt, diesen Effekt zeigen. Und ein binäres Neutronensternsystem, bei dem einer der Neutronensterne ein sehr präziser Pulsar ist, passt genau zur Rechnung.

Ein Pulsar und insbesondere ein Millisekundenpulsar ist die beste natürliche Uhr im Universum., Während sich der Neutronenstern dreht, emittiert er einen Strahl elektromagnetischer Strahlung, der die Chance hat, bei jeder 360-Grad-Drehung mit der Erdperspektive in Einklang gebracht zu werden. Wenn die Ausrichtung richtig ist, werden wir diese Impulse mit außerordentlich vorhersehbarer Genauigkeit und Präzision eintreffen beobachten.

Wenn sich der Pulsar jedoch in einem binären System befindet, verursacht die Bewegung durch dieses sich ändernde Gravitationsfeld die Emission von Gravitationswellen, die Energie vom Gravitationssystem wegtragen. Der Verlust dieser Energie muss von irgendwo kommen und wird durch den Zerfall der Pulsarbahnen kompensiert., Die Vorhersage des Pulsarzerfalls ist sehr empfindlich auf die Geschwindigkeit der Schwerkraft; Selbst das allererste binäre Pulsarsystem, das jemals von selbst entdeckt wurde, PSR 1913+16 (oder das Hulse-Taylor-Binärsystem), erlaubte es uns, die Geschwindigkeit der Schwerkraft auf die Lichtgeschwindigkeit auf nur 0,2% zu beschränken!

Seit dieser Zeit haben auch andere Messungen die Äquivalenz zwischen Lichtgeschwindigkeit und Schwerkraft gezeigt., Im Jahr 2002 führten zufälliger Zufall dazu, dass sich Erde, Jupiter und ein sehr starker Radioquasar (bekannt als QSO J0842+1835) ausrichteten. Als Jupiter zwischen der Erde und dem Quasar passierte, Seine Gravitationseffekte führten dazu, dass sich das Sternenlicht auf eine Art und Weise verbiegte, die von der Schwerkraft abhängig war.,

Jupiter hat tatsächlich das Licht des Quasars gebogen, so dass wir eine unendliche Geschwindigkeit für die Geschwindigkeit der Schwerkraft ausschließen und feststellen konnten, dass es tatsächlich zwischen 255 Millionen und 381 Millionen Metern pro Sekunde lag, was mit dem genauen Wert für die Lichtgeschwindigkeit (299,792,458 m/s) und auch mit Einsteins Vorhersagen übereinstimmt. Noch in jüngerer Zeit brachten uns die ersten Beobachtungen von Gravitationswellen noch engere Einschränkungen.

Von der allerersten entdeckten Gravitationswelle und dem Unterschied in ihren Ankunftszeiten in Hanford, WA und Livingston, LA, haben wir direkt erfahren, dass die Geschwindigkeit der Schwerkraft der Lichtgeschwindigkeit innerhalb von etwa 70% entsprach, was keine Verbesserung gegenüber den zeitlichen Einschränkungen des Pulsars darstellt. Aber wenn 2017 sah die Ankunft von Gravitationswellen und Licht von einem Neutronenstern-Neutronenstern Fusion, die Tatsache, dass Gammastrahlensignale kamen nur 1.,7 Sekunden nach dem Gravitationswellensignal auf einer Reise von über 100 Millionen Lichtjahren haben wir gelernt, dass sich die Lichtgeschwindigkeit und die Schwerkraftgeschwindigkeit in einer Billion um nicht mehr als 1 Teil unterscheiden: 1015.

Solange Gravitationswellen und Photonen keine Ruhemasse haben, bestimmen die Gesetze der Physik, dass sie sich mit genau der gleichen Geschwindigkeit bewegen müssen: der Lichtgeschwindigkeit, die der Schwerkraft entsprechen muss., Noch bevor die Einschränkungen dieses spektakulären, erfordern, dass eine Gravitationstheorie Newtonsche Bahnen reproduzieren, während gleichzeitig relativistisch invariant führt zu dieser unvermeidlichen Schlussfolgerung. Die Geschwindigkeit der Schwerkraft ist genau die Lichtgeschwindigkeit, und die Physik hätte es nicht anders zugelassen.