Le increspature nello spaziotempo sono ciò che sono le onde gravitazionali e viaggiano attraverso lo spazio alla velocità di… luce in tutte le direzioni. Sebbene le costanti dell’elettromagnetismo non appaiano mai nelle equazioni della Relatività Generale di Einstein, la velocità della gravità è indubbiamente uguale alla velocità della luce. Ecco perché.,
Osservatorio Gravitazionale Europeo, Lionel BRET/EUROLIOS
Se il Sole cessasse spontaneamente di emettere luce, non lo sapremo per circa 8 minuti e 20 secondi. La luce che sta arrivando qui sulla Terra, proprio in questo momento, è stata emessa dalla fotosfera del Sole una quantità limitata di tempo in passato, e viene vista solo ora dopo un viaggio attraverso i 150 milioni di km (93 milioni di miglia) che separano il Sole dalla Terra. Se il Sole si oscurasse adesso, non lo scopriremmo finche ‘ la luce non smise di arrivare.
Ma per quanto riguarda gravitazionalmente?, Se il Sole fosse spontaneamente (in qualche modo) rimosso dall’esistenza, per quanto tempo la Terra rimarrebbe nella sua orbita ellittica prima di volare via in linea retta? Che ci crediate o no, la risposta a questo deve essere esattamente la stessa quantità di tempo che era per la luce: 8 minuti e 20 secondi. La velocità di gravità non solo è uguale alla velocità della luce a un grado incredibilmente preciso osservativamente, ma queste due costanti devono essere esattamente uguali teoricamente, altrimenti la Relatività Generale si disgregherebbe. Ecco la scienza dietro perché.,
La legge di Gravitazione Universale di Newton è stata sostituita dalla Relatività Generale di Einstein, ma… invocato il concetto di un’azione istantanea (forza) a distanza, ed è incredibilmente semplice. La costante gravitazionale in questa equazione, G, insieme ai valori delle due masse e alla distanza tra loro, sono gli unici fattori nel determinare una forza gravitazionale. G appare anche nella teoria di Einstein.,
Utente Wikimedia commons Dennis Nilsson
Prima che arrivasse la Relatività Generale, la nostra teoria di maggior successo della gravità era la legge universale di gravitazione di Newton. Secondo Newton, la forza gravitazionale tra due oggetti nello spazio definito da soli quattro parametri:
- La costante gravitazionale dell’Universo, G, che è la stessa per tutti.
- La massa del primo oggetto, m, che sperimenta la forza gravitazionale. (Dal principio di equivalenza di Einstein, questa è la stessa m che va nelle leggi del moto, come F = ma.,)
- La massa del secondo oggetto, M, che attrae il primo oggetto.
- La distanza tra loro, r, che si estende dal centro di massa del primo oggetto al centro di massa del secondo.
Tieni presente che questi sono gli unici quattro parametri consentiti nella gravitazione newtoniana. È possibile eseguire tutti i tipi di calcoli da questa legge di forza per derivare, ad esempio, orbite planetarie ellittiche attorno al Sole. Ma le equazioni funzionano solo se la forza gravitazionale è istantanea.,
Le orbite degli otto pianeti maggiori variano in eccentricità e la differenza tra perielio… (avvicinamento più vicino) e afelio (distanza più lontana) rispetto al Sole. Non c’è una ragione fondamentale per cui alcuni pianeti siano più o meno eccentrici l’uno dell’altro; è semplicemente il risultato delle condizioni iniziali da cui si è formato il Sistema Solare., Tuttavia, se si dovesse in qualche modo spegnere gli effetti gravitazionali del Sole, i pianeti non volerebbero via istantaneamente, ma piuttosto quelli interni volerebbero via per primi, seguiti da quelli esterni, poiché i segnali gravitazionali dal Sole si propagano solo verso l’esterno alla velocità della gravità, che dovrebbe essere uguale alla velocità della luce.
NASA / JPL-Caltech/R. Hurt
Questo potrebbe romperti un po’., Dopotutto, se la velocità della gravità è uguale solo alla velocità della luce, piuttosto che una forza infinitamente veloce, allora la Terra dovrebbe essere attratta da dove il Sole era 8 minuti e 20 secondi fa, non dove il Sole è adesso, in questo particolare istante nel tempo. Ma se fai invece quel calcolo e permetti alla Terra di essere attratta dalla posizione passata del Sole piuttosto che dalla sua posizione attuale, ottieni una previsione per la sua orbita che è così completamente sbagliata che Newton stesso, con osservazioni di qualità che risalgono a meno di 100 anni (al tempo di Tycho Brahe), avrebbe potuto escluderlo.,
Infatti, se si usassero le leggi di Newton per calcolare le orbite dei pianeti e si richiedesse che corrispondessero alle osservazioni moderne, non solo la velocità della gravità dovrebbe essere più veloce della velocità della luce, dovrebbe essere almeno 20 miliardi di volte più veloce: indistinguibile da una velocità infinita.
Un modello accurato di come i pianeti orbitano intorno al Sole, che poi si muove attraverso la galassia in un… diversa direzione di movimento., Se il Sole dovesse semplicemente strizzare l’occhio fuori dall’esistenza, la teoria di Newton prevede che volerebbero tutti istantaneamente in linee rette, mentre Einstein predice che i pianeti interni continuerebbero ad orbitare per periodi di tempo più brevi rispetto ai pianeti esterni.
Rhys Taylor
Il problema è questo: se hai una forza centrale, dove una particella legata come (per esempio) la Terra è attratta dal Sole ma si muove attorno al Sole (orbitando o propagandosi) ad una velocità finita, otterrai solo un’orbita puramente ellittica se la velocità di propagazione di quella forza è infinita., Se è finito, allora non ottieni solo un’accelerazione radiale (verso l’altra massa), ma ottieni anche un componente che accelera la tua particella tangenzialmente.
Ciò renderebbe le orbite non solo ellittiche, ma instabili. Sulla scala di un semplice secolo, le orbite si sposterebbero sostanzialmente. Nel 1805, Laplace aveva usato le osservazioni della Luna per dimostrare che la velocità della gravità newtoniana doveva essere 7 milioni di volte maggiore della velocità della luce. I vincoli moderni sono ora 20 miliardi di volte la velocità della luce, che è grande per Newton. Ma tutto questo ha posto un grande peso su Einstein.,
Un aspetto rivoluzionario del moto relativistico, messo avanti da Einstein ma precedentemente costruito da… Lorentz, Fitzgerald e altri, che gli oggetti in rapido movimento sembravano contrarsi nello spazio e dilatarsi nel tempo. Più velocemente ti muovi rispetto a qualcuno a riposo, maggiori sono le tue lunghezze che sembrano essere contratte, mentre più tempo sembra dilatarsi per il mondo esterno., Questa immagine, della meccanica relativistica, ha sostituito la vecchia visione newtoniana della meccanica classica, ma porta anche enormi implicazioni per teorie che non sono relativisticamente invarianti, come la gravità newtoniana.
Curt Renshaw
Secondo Einstein, c’è un grosso problema, concettualmente, con la legge della forza gravitazionale di Newton: la distanza tra due oggetti qualsiasi non è una quantità assoluta, ma piuttosto dipende dal movimento dell’osservatore., Se ti stai muovendo verso o lontano da qualsiasi linea immaginaria che disegni, le distanze in quella direzione si contrarranno, a seconda delle tue velocità relative. Perché la forza gravitazionale sia una quantità calcolabile, tutti gli osservatori dovrebbero ricavare risultati coerenti, qualcosa che non si può ottenere combinando la relatività con la legge della forza gravitazionale di Newton.
Quindi, secondo Einstein, dovresti sviluppare una teoria che riunisse la gravitazione e i moti relativistici, e che significasse sviluppare la Relatività Generale: una teoria relativistica del moto che incorporasse la gravità in essa., Una volta completato, la Relatività Generale ha raccontato una storia drammaticamente diversa.
Uno sguardo animato su come lo spaziotempo risponde mentre una massa si muove attraverso di esso aiuta a mostrare esattamente come,… qualitativamente, non è semplicemente un foglio di tessuto, ma tutto lo spazio stesso viene curvato dalla presenza e dalle proprietà della materia e dell’energia all’interno dell’Universo. Si noti che lo spaziotempo può essere descritto solo se includiamo non solo la posizione dell’oggetto massiccio, ma dove si trova quella massa nel tempo., Sia la posizione istantanea che la storia passata di dove si trovava quell’oggetto determinano le forze sperimentate dagli oggetti che si muovono attraverso l’Universo.
LucasVB
Per far sì che diversi osservatori concordino su come funziona la gravitazione, non ci può essere nulla come lo spazio assoluto, il tempo assoluto o un segnale che si propaga a velocità infinita., Invece, lo spazio e il tempo devono essere entrambi relativi per diversi osservatori, e i segnali possono propagarsi solo a velocità esattamente uguali alla velocità della luce (se la particella propagante è senza massa) o a velocità inferiori alla velocità della luce (se la particella ha massa).
Affinché ciò funzioni, tuttavia, deve esserci un effetto aggiuntivo per annullare il problema di un’accelerazione tangenziale diversa da zero, che è indotta da una velocità finita di gravità., Questo fenomeno, noto come aberrazione gravitazionale, è quasi esattamente annullato dal fatto che la Relatività generale ha anche interazioni dipendenti dalla velocità. Come la Terra si muove attraverso lo spazio, per esempio, si sente la forza dal cambiamento Sole come cambia la sua posizione, allo stesso modo una barca che viaggia attraverso l’oceano scenderà in una posizione diversa come viene sollevato e abbassato di nuovo da un’onda che passa.
La radiazione gravitazionale viene emessa ogni volta che una massa orbita attorno a un’altra, il che significa che a lungo… abbastanza tempi, le orbite decadranno., Prima che il primo buco nero evapori, la Terra si spirale in tutto ciò che rimane del Sole, supponendo che nient’altro l’abbia espulso in precedenza. La Terra è attratta da dove il Sole era circa 8 minuti fa, non da dove è oggi.
American Physical Society
Ciò che è notevole, e per nulla ovvio, è che questi due effetti si annullano quasi esattamente., Il fatto che la velocità di gravità sia finita è ciò che induce questa aberrazione gravitazionale, ma il fatto che la Relatività generale (a differenza della gravità newtoniana) abbia interazioni dipendenti dalla velocità è ciò che ha permesso alla gravità newtoniana di essere una buona approssimazione. C’è solo una velocità che funziona per rendere questa cancellazione una buona: se la velocità della gravità è uguale alla velocità della luce.
Quindi questa è la motivazione teorica per cui la velocità della gravità dovrebbe essere uguale alla velocità della luce., Se vuoi che le orbite planetarie siano coerenti con ciò che abbiamo visto, e che siano coerenti per tutti gli osservatori, hai bisogno di una velocità di gravità uguale a c, e che la tua teoria sia relativisticamente invariante. C’è un altro avvertimento, tuttavia. Nella Relatività generale, la cancellazione tra l’aberrazione gravitazionale e il termine dipendente dalla velocità è quasi esatta, ma non del tutto. Solo il sistema giusto può rivelare la differenza tra le previsioni di Einstein e Newton.,
Quando una massa si muove attraverso una regione di spazio curvo, sperimenterà un’accelerazione a causa della… spazio curvo in cui abita. Sperimenta anche un effetto aggiuntivo dovuto alla sua velocità mentre si muove attraverso una regione in cui la curvatura spaziale cambia costantemente. Questi due effetti, quando combinati, si traducono in una leggera, piccola differenza dalle previsioni della gravità di Newton.,
David Champion, Max Planck Institute for Radio Astronomy
Nel nostro quartiere, la forza di gravità del Sole è troppo debole per produrre un effetto misurabile. Quello che vorresti è un sistema che avesse grandi campi gravitazionali a piccole distanze da una sorgente massiccia, dove la velocità dell’oggetto in movimento è veloce e cambia (accelerando) rapidamente, in un campo gravitazionale con un grande gradiente.
Il nostro Sole non ce lo dà, ma l’ambiente attorno a un buco nero binario oa una stella di neutroni binari lo fa!, Idealmente, un sistema con un oggetto massiccio che si muove con una velocità variabile attraverso un campo gravitazionale che cambia mostrerà questo effetto. E un sistema binario di stelle di neutroni, dove una delle stelle di neutroni è una pulsar molto precisa, si adatta esattamente al disegno di legge.
Quando hai un singolo oggetto, come una pulsar, in orbita nello spazio, pulirà ogni volta che lo… completa una rotazione di 360 gradi verso un osservatore fortuitamente allineato., Se metti quella pulsar in un sistema binario con un altro oggetto denso e massiccio, si muoverà rapidamente attraverso quello spazio, esibendo sia gli effetti dell’aberrazione gravitazionale che le interazioni dipendenti dalla velocità, e la loro inesatta cancellazione consente agli scienziati di discernere le previsioni relativistiche per questo sistema da quelle newtoniane.
ESO/L. Calçada
Una pulsar, e in particolare una pulsar milliseconda, è il miglior orologio naturale dell’Universo., Mentre la stella di neutroni gira, emette un getto di radiazione elettromagnetica che ha la possibilità di essere allineato con la prospettiva della Terra una volta ogni rotazione di 360 gradi. Se l’allineamento è corretto, osserveremo questi impulsi che arrivano con una precisione e una precisione straordinariamente prevedibili.
Se la pulsar si trova in un sistema binario, tuttavia, il movimento attraverso quel campo gravitazionale mutevole causerà l’emissione di onde gravitazionali, che trasportano l’energia dal sistema gravitante. La perdita di quell’energia deve provenire da qualche parte, ed è compensata dal decadimento delle orbite della pulsar., Le previsioni di decadimento pulsar è altamente sensibile alla velocità di gravità; utilizzando anche il primo sistema pulsar binario mai scoperto da solo, PSR 1913+16 (o il binario Hulse-Taylor), ci ha permesso di vincolare la velocità di gravità per essere uguale alla velocità della luce entro solo 0,2%!
La velocità di decadimento orbitale di una pulsar binaria è altamente dipendente dalla velocità di gravità e dalla… parametri orbitali del sistema binario. Abbiamo usato i dati binari di pulsar per vincolare la velocità di gravità per essere uguale alla velocità della luce ad una precisione di 99.,8%, e di dedurre l’esistenza di onde gravitazionali decenni prima LIGO e Virgo li rilevati. Tuttavia, la rilevazione diretta delle onde gravitazionali era una parte vitale del processo scientifico, e l’esistenza delle onde gravitazionali sarebbe ancora in dubbio senza di essa.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy/Michael Kramer (R)
Da quel momento, altre misurazioni hanno anche dimostrato l’equivalenza tra la velocità della luce e la velocità della gravità., Nel 2002, la coincidenza casuale ha causato l’allineamento della Terra, di Giove e di un quasar radio molto forte (noto come QSO J0842+1835). Mentre Giove passava tra la Terra e il quasar, i suoi effetti gravitazionali causarono la curvatura della luce stellare in un modo che dipendeva dalla velocità di gravità.,
Giove ha, infatti, piegato la luce dal quasar, permettendoci di escludere una velocità infinita per la velocità della gravità e determinare che era in realtà tra 255 milioni e 381 milioni di metri al secondo, coerente con il valore esatto per la velocità della luce (299,792,458 m/s) e anche con le previsioni di Einstein. Ancora più recentemente, le prime osservazioni delle onde gravitazionali ci hanno portato vincoli ancora più stretti.
Illustrazione di un rapido gamma-ray burst, a lungo pensato per verificarsi dalla fusione di stelle di neutroni. Il…, l’ambiente ricco di gas che li circonda potrebbe ritardare l’arrivo del segnale, spiegando la differenza di 1,7 secondi osservata tra gli arrivi delle firme gravitazionali ed elettromagnetiche. Questa è la migliore prova che abbiamo, osservativamente, che la velocità della gravità deve essere uguale alla velocità della luce.,
ESO
Dalla prima onda gravitazionale rilevata e dalla differenza nei loro tempi di arrivo a Hanford, WA e Livingston, LA, abbiamo appreso direttamente che la velocità di gravità eguagliava la velocità della luce a circa il 70%, il che non è un miglioramento rispetto ai vincoli di temporizzazione delle pulsar. Ma quando 2017 ha visto l’arrivo di entrambe le onde gravitazionali e la luce da una fusione stella di neutroni-stella di neutroni, il fatto che i segnali gamma-ray è venuto solo 1.,7 secondi dopo il segnale dell’onda gravitazionale, attraverso un viaggio di oltre 100 milioni di anni luce, ci ha insegnato che la velocità della luce e la velocità della gravità differiscono di non più di 1 parte in un quadrilione: 1015.
Finché le onde gravitazionali e i fotoni non hanno massa a riposo, le leggi della fisica impongono che si muovano esattamente alla stessa velocità: la velocità della luce, che deve essere uguale alla velocità della gravità., Anche prima che i vincoli ottenessero questo spettacolare, richiedere che una teoria gravitazionale riproduca orbite newtoniane mentre contemporaneamente sia relativisticamente invariante porta a questa inevitabile conclusione. La velocità della gravità è esattamente la velocità della luce, e la fisica non avrebbe permesso che fosse in nessun altro modo.