これが、重力の速度が光の速度と等しくなければならない理由です

時空の波紋は重力波であり、その速度で空間を移動します。.. すべての方向のライト。 電磁気学の定数はアインシュタインの一般相対性理論の方程式には現れませんが、重力の速度は間違いなく光の速度に等しいです。 ここに理由がある。,

ヨーロッパ重力観測所、ライオネル-ブレット/ユーロリオス

太陽が自発的に光を放つのをやめると、約8分20秒間それについて知らないでしょう。 この瞬間に地球に到着している光は、過去に限られた時間で太陽の光球から放出され、太陽を地球から分離する150万km(93万マイル)を渡って旅した後にのみ見られている。 太陽が今暗くなっていたら、光が到着しなくなるまで私たちは見つけることができませんでした。

しかし、重力についてはどうですか?, 太陽が自発的に(何らかの形で)存在から取り除かれた場合、地球は直線で飛び去る前にどれくらいの期間、その楕円軌道にとどまるでしょうか? それを信じるかどうか、これに対する答えは、それが光のためだったのとまったく同じ時間でなければなりません:8分20秒。 重力の速度は観測上信じられないほど正確な程度に光の速度に等しいだけでなく、これら二つの定数は、理論的には正確に等しくなければならない、または一般相対性理論がばらばらになるだろう。 理由の背後にある科学は次のとおりです。,

ニュートンの万有引力の法則は、アインシュタインの一般相対性理論に取って代わられましたが、。.. 距離での瞬間的な行動(力)の概念に依存しており、信じられないほど簡単です。 この方程式における重力定数Gは、二つの質量の値とそれらの間の距離とともに、重力を決定する唯一の要因である。 Gはアインシュタインの理論にも登場する。,

ウィキメディア-コモンズのユーザーであるデニス-ニルソン

一般相対性理論が登場する前、私たちの最も成功した重力理論はニュートンの重力の普遍法則でした。 ニュートンによると、空間内の任意の二つのオブジェクト間の重力は、ちょうど四つのパラメータによって定義されます:

  1. 宇宙の重力定数、G、誰にとっても同
  2. 重力を経験する最初のオブジェクト、mの質量。 (アインシュタインの同値原理により、これはf=maのように運動の法則に入るのと同じmです。,)
  3. 最初のオブジェクトを引き付ける第二のオブジェクトMの質量。
  4. それらの間の距離rは、第一の物体の質量中心から第二の物体の質量中心まで延びています。

これらはニュートン重力において許容される唯一の四つのパラメータであることに注意してください。 この力の法則からあらゆる種類の計算を実行して、例えば太陽の周りの楕円形の惑星軌道を導き出すことができます。 しかし、この方程式は、重力が瞬間的である場合にのみ機能します。,

八つの主要な惑星の軌道は離心率と近日点の違いによって異なります。.. 太陽に対して(最近接近)と遠日点(最遠距離)。 いくつかの惑星が互いに多かれ少なかれ偏心している根本的な理由はありません。, しかし、何らかの形で太陽の重力効果を”オフ”にすると、惑星は瞬時に飛び去るのではなく、むしろ太陽からの重力信号は光の速度に等しいはずの重力の速度で外側に伝播するだけであるため、内側のものが最初に飛び去り、外側のものが続くでしょう。

NASA/JPL-Caltech/R.Hurt

これはあなたを少し困惑させるかもしれません。, 結局のところ、重力の速度が無限に速い力ではなく光の速度にしか等しくないならば、地球は太陽が8分20秒前の場所に引き寄せられるべきであり、太陽が今どこにいるのかではなく、この特定の瞬間に引き寄せられるべきである。 しかし、代わりにその計算を行い、地球が現在の位置ではなく太陽の過去の位置に引き寄せられるようにすると、その軌道の予測が完全に間違っているため、ニュートン自身が100年未満(ティコ-ブラーエの時代)にさかのぼる質の高い観測で、それを排除することができました。,

実際、ニュートンの法則を使って惑星の軌道を計算し、現代の観測と一致させることを要求した場合、重力の速度は光の速度よりも速くなければならないだけでなく、無限の速度と区別がつかない最低20億倍も速くなければならない。

惑星が太陽の周りをどのように周回しているかの正確なモデルです。.. 別の方向の動き。, もし太陽が単に存在しなくなったら、ニュートンの理論は、それらはすべて瞬時に直線で飛び去ると予測し、アインシュタインの予測は、内惑星が外惑星よりも短い時間軌道を続けると予測している。

Rhys Taylor

問題はこれです:(たとえば)地球のような束縛された粒子が太陽に引き寄せられるが、太陽の周りを有限の速度で移動する(周回する、または伝播する)中心力がある場合、その力の伝搬速度が無限である場合にのみ純粋に楕円軌道を得るでしょう。, それが有限であれば、半径方向の加速(他の質量に向かって)を得るだけでなく、粒子を接線方向に加速する成分も得られます。

これは軌道を楕円だけでなく不安定にするでしょう。 単なる世紀のスケールでは、軌道は大幅にシフトするでしょう。 1805年までに、ラプラスは月の観測を用いて、ニュートンの重力の速度が光の速度の7万倍でなければならないことを示した。 現代の制約は現在、光速の20億倍であり、これはニュートンにとって素晴らしいものです。 もこも多くの負担アインシュタイン.,

アインシュタインによって出されたが、以前にによって構築された相対論的運動の一つの革命的な側面。.. ローレンツ、フィッツジェラルド、および他の人は、急速に移動する物体が空間で収縮し、時間の経過とともに膨張するように見えた。 あなたが安静時の誰かに対して相対的に速く移動するほど、あなたの長さは収縮しているように見えますが、より多くの時間は外の世界のために, 相対論的力学のこの図は、古典力学の古いニュートンの見解に取って代わったが、ニュートン重力のように相対論的に不変ではない理論にも大きな意味を持っている。

Curt Renshaw

アインシュタインによると、概念的にはニュートンの重力法則に大きな問題があります。, あなたが描く想像上の線に向かってまたは離れて移動している場合、その方向の距離はあなたの相対速度に応じて収縮します。 重力が計算可能な量であるためには、すべての観測者は一貫した結果を導き出さなければならず、相対性理論とニュートンの重力法則を組み合わせることによって得ることができないものです。

したがって、アインシュタインによれば、重力と相対論的運動を一緒にもたらした理論を開発しなければならず、それは一般相対性理論を発展させることを意味しました:それに重力を取り入れた相対論的運動の理論。, 完成すると、一般相対性理論は劇的に異なる話をしました。

質量が移動するにつれて時空がどのように反応するかをアニメーション化した外観は、正確にどのように展示するのに役立ちます。.. 定性的には、それは単なる布のシートではありませんが、宇宙の中の物質とエネルギーの存在と特性によって空間自体のすべてが湾曲しています。 時空は、巨大な物体の位置だけでなく、その質量が時間を通してどこに位置しているかを含める場合にのみ記述できることに注意してください。, 瞬間的な位置とその物体がどこにあったかの過去の歴史の両方が、宇宙を移動する物体によって経験される力を決定する。

LucasVB

重力がどのように機能するかについて異なる観察者に同意させるためには、絶対空間、絶対時間、無限の速度で伝播する信号などはありません。, 代わりに、空間と時間の両方が異なる観察者に対して相対的でなければならず、信号は光の速度と正確に等しい速度(伝播する粒子が質量がない場合)または光の速度よりも低い速度(粒子が質量を持つ場合)でのみ伝播することができる。

これがうまくいくためには、有限の重力によって誘導される非ゼロ接線加速度の問題を打ち消すための追加の効果がなければなりません。, 重力収差として知られるこの現象は、一般相対性理論も速度に依存する相互作用を持っているという事実によってほぼ正確に相殺される。 地球が宇宙を移動するにつれて、例えば、太陽からの力がその位置を変えるにつれて変化すると感じ、海を通過するボートが持ち上げられ、通過する波によって再び下がるのと同じように、海を通過するボートが異なる位置に降りてくるのと同じように感じます。

重力放射は、質量が別のものを周回するたびに放出されます。.. 十分な時間スケール、軌道は崩壊します。, 最初のブラックホールが蒸発する前に、地球は以前に何も放出されていないと仮定して、太陽の残っているものに螺旋状に渦巻くでしょう。 地球は、それが今日ある場所ではなく、太陽がおよそ8分前にあった場所に引き寄せられます。

アメリカ物理学会

注目すべきは、決して明らかではないことは、これら二つの効果がほぼ正確にキャンセルされるということです。, 重力の速度が有限であるという事実は、この重力収差を引き起こすものであるが、一般相対性理論(ニュートン重力とは異なり)が速度に依存する相互作用を持つという事実は、ニュートン重力がそのような良い近似であることを可能にしたものである。 重力の速度が光の速度に等しい場合:このキャンセルを良いものにするために働く唯一の速度があります。

だから、重力の速度が光の速度に等しくなる理由の理論的な動機です。, 惑星軌道が私たちが見たものと一致し、すべての観測者にとって一貫していることを望むなら、cに等しい重力の速度と、あなたの理論を相対的不変にする必要があります。 しかし、別の注意点があります。 一般相対性理論では、重力収差と速度依存項との間の相殺はほぼ正確であるが、完全ではない。 るシステムがうのか、その差を明らかにアインシュタインとニュートンがいます。,

質量が曲がった空間の領域を移動するとき、それはによる加速を経験します。.. それが生息する湾曲した空間。 また、空間曲率が絶えず変化している領域を移動すると、その速度による追加の効果が発生します。 これら二つの効果を組み合わせると、ニュートンの重力の予測とはわずかに、わずかな違いをもたらします。,

David Champion,Max Planck Institute for Radio Astronomy

私たち自身の近所では、太陽の重力の力は測定可能な効果を生み出すにはあまりにも弱いです。 あなたが望むのは、大きな勾配の重力場で、移動する物体の速度が速く、急速に変化(加速)する巨大な源からの小さな距離に大きな重力場を持つシス

私たちの太陽は私たちにそれを与えていませんが、連星ブラックホールまたは連星中性子星の周りの環境はそうです!, 理想的には、変化する重力場を通って変化する速度で移動する巨大な物体を持つシステムは、この効果を示すでしょう。 そして、中性子星の一つが非常に正確なパルサーである連星中性子星系は、正確に法案に適合します。

宇宙を周回するパルサーのような単一のオブジェクトがある場合、それは毎回脈拍します。.. 偶然に一直線に並べられた観測者に360度の回転を完了する。, そのパルサーを別の高密度で巨大な物体と連星系に置くと、その空間を素早く移動し、重力収差と速度依存相互作用の両方の効果を示し、それらの不正確なキャンセルにより、科学者はこのシステムの相対論的予測をニュートンのものから区別することができます。

ESO/L.Calçada

パルサー、特にミリ秒パルサーは、宇宙で最高の自然時計です。, 中性子星が回転すると、それは360度回転するたびに地球の視点と整列する可能性のある電磁放射のジェットを放出する。 アライメントが正しければ、これらのパルスが非常に予測可能な精度と精度で到着するのを観察します。

しかし、パルサーが連星系にある場合、その変化する重力場を移動すると、重力波が放出され、重力系からエネルギーが運ばれます。 そのエネルギーの損失はどこかから来なければならず、パルサーの軌道の崩壊によって補償されます。, パルサー崩壊の予測は重力の速度に非常に敏感であり、これまでにそれ自体で発見された最初の連星パルサーシステムであるPSR1913+16(またはハルス-テイラー連星)を使用することで、重力の速度を光の速度に等しく制限することができましたわずか0.2%以内です!

連星パルサーの軌道崩壊速度は、重力の速度とその速度に大きく依存します。.. バイナリシステムの軌道パラメータ。 我々は、バイナリパルサーのデータを使用して、重力速度を光速に等しくするように99の精度に制限しました。,8%、そしてLIGOと乙女座がそれらを検出する数十年前に重力波の存在を推測する。 しかし、重力波の直接検出は科学的プロセスの重要な部分であり、重力波の存在はそれなしでは依然として疑わしいでしょう。

NASA(L),Max Planck Institute for Radio Astronomy/Michael Kramer(R)

その時以来、他の測定も光の速度と重力の速度の等価性を実証してきました。, 2002年、偶然の一致により、地球、木星、および非常に強い電波クエーサー(QSO J0842+1835として知られている)がすべて整列するようになりました。 木星が地球とクエーサーの間を通過するにつれて、その重力効果により、星明かりは重力速度に依存する方法で曲がった。,

木星は実際にクエーサーからの光を曲げ、重力の速度に対して無限の速度を排除し、実際には255万から381万メートル/秒の間であり、光の速度(299,792,458m/s)の正確な値とアインシュタインの予測と一致していると判断することができた。 さらに最近では、重力波の最初の観測は、私たちにさらに厳しい制約をもたらしました。

高速ガンマ線バーストのイラストは、長い中性子星の合併から発生すると考えられています。 そして、その…, それらを取り巻くガスが豊富な環境は、重力と電磁シグネチャの到着の間に観測された1.7秒の違いを説明する、信号の到着を遅らせることができ これは、重力の速度が光の速度と等しくなければならないという観測的に私たちが持っている最良の証拠です。,

ESO

検出された最初の重力波とワシントン州ハンフォードとロサンゼルス州リビングストンでの到達時間の違いから、重力の速度は光の速度に等しく約70%以内であることが直接学びましたが、これはパルサーのタイミング制約よりも改善されていません。 しかし、2017年に中性子星と中性子星の合併による重力波と光の両方の到着が見られたとき、ガンマ線信号がわずか1に来たという事実がありました。,重力波信号から7秒後、100万光年以上の旅にわたって、光の速度と重力の速度が1つの部分で異なることを教えてくれました:1015。

重力波と光子が静止質量を持たない限り、物理学の法則は、重力の速度に等しくなければならない光の速度とまったく同じ速度で動かなければならないことを指示している。, 制約がこの壮大なものになる前でさえ、重力理論がニュートン軌道を再現すると同時に相対論的に不変であることを要求することは、この必然的な結論につながる。 重力の速度はまさに光の速度であり、物理学はそれが他の方法であることを許さなかったでしょう。

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