Bølger i rom og tid er hva gravitasjonsbølger er, og de reiser gjennom verdensrommet på farten på… lys i alle retninger. Selv om konstantene av elektromagnetisme aldri vises i ligningene for Einsteins Generelle Relativitetsteori, hastighet og gravitasjon utvilsomt er lik lysets hastighet. Her er hvorfor.,
Europeiske Gravitasjonsfelt Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS
Hvis Solen skulle spontant opphøre avgir lys, vi ville ikke vite om det i ca 8 minutter og 20 sekunder. Lyset som kommer her på Jorden, akkurat i dette øyeblikk, ble sluppet fra Solens photosphere en begrenset mengde tid i det siste, og det er bare å bli sett nå etter en reise over 150 millioner km (93 millioner miles) skiller Solen fra Jorden. Hvis Solen skulle gå mørk akkurat nå, ville vi ikke finne ut før lyset sluttet som kommer.
Men hva med tyngdekraft?, Om Solen var spontant (liksom) fjernet fra tilværelsen, hvor lenge ville Jorden forblir i sin elliptisk bane før du flyr i en rett linje? Tro det eller ikke, er svaret på dette må være nøyaktig samme tid som det var for lett: 8 minutter og 20 sekunder. Hastigheten av tyngdekraften ikke bare er lik lysets hastighet til en utrolig presis grad observationally, men disse to konstanter må være nøyaktig lik teoretisk, eller Generell Relativitetsteori ville falle fra hverandre. Her er vitenskapen bak hvorfor.,
Newtons lov om Universell Gravitasjon har blitt erstattet av Einsteins Generelle Relativitetsteori, men… lettelse opp på konseptet av et øyeblikkelig handling (force) i en avstand, og er utrolig grei. Gravitasjons konstant i denne ligningen, G, sammen med verdier av de to massene og avstanden mellom dem, er de eneste faktorene i avgjørelsen av en gravitasjonskraft. G også vises i Einsteins teori.,
Wikimedia commons bruker Dennis Nilsson
Før Generell Relativitetsteori kom, vår mest vellykkede teori om tyngdekraften var Newtons universelle loven om gravitasjon. I henhold til Newton, den gravitasjonskraft mellom to objekter i rommet som er definert av bare fire parametere:
- gravitasjons konstant i Universet, G, som er den samme for alle.
- massen til det første objektet, m, som opplever gravitasjonskraft. (Ved Einsteins ekvivalens prinsippet er dette samme m som går inn i lover om bevegelse, som F = ma.,)
- massen til det andre objektet, M, som tiltrekker seg på det første objektet.
- avstanden mellom dem, r, som strekker seg fra sentrum av massen til det første objektet til center-av-masse av den andre.
husk at disse er de bare fire parameterne som er tillatt i Newtonsk gravitasjon. Du kan utføre alle typer beregninger fra denne styrken lov til å få, for eksempel, elliptisk planetenes baner rundt Solen. Men ligninger kun fungere hvis gravitasjonskraft er umiddelbar.,
banene til de åtte store planetene variere i eksentrisitet og forskjellen mellom perihelion… (nærmest tilnærming) og aphelion (lengst distanse) med hensyn til Solen. Det er ingen fundamental grunn til at noen planeter er mer eller mindre eksentrisk enn en annen, det er rett og slett et resultat av den opprinnelige betingelser som solsystemet ble dannet., Imidlertid, hvis du var liksom slå ‘av’ den gravitasjonsfelt effekter av Solen, planetene ville ikke fly av umiddelbart, men heller den indre de ville fly ut først, etterfulgt av den ytre, som gravitasjons-signaler fra Solen bare spre den utover med en hastighet av tyngdekraften, som burde lik lysets hastighet.
NASA / JPL-Caltech / R. Vondt
Dette kan puzzle du en liten bit., Tross alt, hvis hastigheten av tyngdekraften er bare lik lysets hastighet, snarere enn en uendelig fort kraft, da Jorden skal bli tiltrukket av hvor Solen var 8 minutter og 20 sekunder siden, ikke der hvor Solen er akkurat nå, i denne spesielle øyeblikk i tid. Men hvis du gjør at beregningen i stedet, og la Jorden for å bli tiltrukket av Solens siste posisjon, heller enn dens nåværende posisjon, kan du få en prediksjon for sin bane som er så grundig feil at Newton selv, med kvalitet observasjoner kommer tilbake mindre enn 100 år (til den tiden av Tycho Brahe), kunne ha hersket det ut.,
faktisk, hvis du brukte Newtons lover å beregne banene til planetene og krevde at de samsvarer med moderne observasjoner, ikke bare ville hastigheten av tyngdekraften må være raskere enn lysets hastighet, ville det må være et minimum av 20 milliarder ganger raskere: umulig å skille fra en uendelig hastighet.
En nøyaktig modell av hvordan planetene i bane rundt Solen, som deretter beveger seg gjennom galaksen i en… annen retning-av-bevegelse., Hvis Solen skulle bare wink ut av eksistens, Newtons teori forutsier at de ville alle umiddelbart fly av i rette linjer, mens Einsteins spår at den indre planetene ville fortsette i bane rundt for kortere perioder enn de ytre planetene.
Rhys Taylor
problemet er dette: hvis du har en sentral makt, der en bundet partikkel som (for eksempel) Jorden er tiltrukket av Solen, men beveger seg rundt Solen (bane, eller formeringsmateriale) i en begrenset hastighet, du vil bare få en rent elliptisk bane hvis det tvinge dem hastighet er uendelig., Hvis det er begrensede, så du ikke bare få en radial akselerasjon (mot andre masse), men du får også en komponent som akselererer din partikkel tangentially.
Dette ville gjøre banene ikke bare elliptisk, men ustabil. På skalaen av en ren-tallet, baner ville skifte betydelig. Ved 1805, Laplace hadde brukt observasjoner av Månen for å demonstrere at hastigheten av Newtonsk tyngdekraften må være 7 millioner ganger større enn lysets hastighet. Moderne begrensninger er nå 20 milliarder ganger lysets hastighet, som er flott for Newton. Men alt dette plassert en stor belastning på Einstein.,
En revolusjonerende aspekt av relativistiske bevegelse, lagt frem av Einstein, men tidligere bygget opp av… Lorentz, Fitzgerald, og andre, som raskt bevegelige objekter dukket opp kontrakten i verdensrommet og strekke i tid. Jo raskere du beveger deg i forhold til noen i ro, jo større lengder synes å være innleide, mens mer tid ser ut til å strekke til verden utenfor., Dette bildet, av relativistiske mekanikk, erstattet den gamle Newtonsk utsikt over klassisk mekanikk, men bærer også enorm betydning for teorier som ikke relativistically invariant, som Newtonsk tyngdekraften.
Curt Renshaw
Ifølge Einstein, det er et stort problem, konseptuelt, med Newtons gravitasjonskraft lov: avstanden mellom to objekter er ikke en absolutt mengde, men er avhengig av bevegelse av observatøren., Hvis du er beveger seg mot eller bort fra en tenkt linje du tegner, avstander i den retningen, vil kontrakten, avhengig av den relative hastigheter. For gravitasjonskraft å være en calculable mengde, alle observatører ville ha for å oppnå konsistente resultater, noe som du ikke kan få ved å kombinere relativitetsteorien med Newtons gravitasjonskraft loven.
Derfor, i henhold til Einstein, ville du ha for å utvikle en teori som brakte gravitasjon og relativistiske bevegelser sammen, og som er ment å utvikle Generell Relativitetsteori: en relativistiske teori om bevegelse som er innlemmet alvoret i det., Når du er ferdig, Generell Relativitetsteori fortalte en dramatisk annen historie.
En animert se på hvordan romtid reagerer som en massen beveger seg gjennom det bidrar til å vise nøyaktig hvordan,… kvalitativt, det er ikke bare et ark med stoff, men alle på plass i seg selv blir buet av tilstedeværelse og egenskaper av materie og energi i Universet. Merk at rom og tid som bare kan beskrives hvis vi inkluderer ikke bare posisjonen til den massive objektet, men der at masse er plassert over hele tiden., Både momentant beliggenhet og fortiden historie hvor det objektet som ble plassert bestemme krefter oppleves av objekter som beveger seg gjennom Universet.
LucasVB
for å få ulike observatører til å bli enige om hvordan gravitasjon fungerer, kan det være noe slikt som absolutt plass, absolutt tid, eller et signal som forplanter på uendelig hastighet., I stedet, rom og tid må både være i forhold til ulike observatører, og signalene kan bare overføres ved hastigheter som er nøyaktig lik lysets hastighet (hvis spre partikkel er massless) eller med hastigheter som er under speed of light (hvis partikler har masse).
for å få dette til å fungere ut, selv om det må være en ekstra effekt for å avbryte problemet med en ikke-null tangentielle akselerasjon, som er forårsaket av et begrenset hastighet av tyngdekraften., Dette fenomenet, som kalles gravitasjons aberrasjon, er nesten nøyaktig kansellert av det faktum at den Generelle Relativitetsteorien har også velocity-avhengige interaksjoner. Som Jorden beveger seg gjennom rommet, for eksempel, det føles kraften fra Solen endringen som det skifter posisjon, på samme måte som en båt er på reise gjennom havet vil komme ned i en annen stilling når det blir løftet opp og senkes igjen ved en bølge passerer.
Gravitasjonsfelt stråling blir avgis når en masse baner annen, noe som betyr at over lang tid… nok tidsperioder, baner vil forfalle., Før den første sort hull noensinne fordamper, vil Jorden spiral inn i det som er igjen av Solen, forutsatt at ingenting annet har kastet ut det tidligere. Jorden er tiltrukket av hvor Solen var ca 8 minutter siden, ikke til der den er i dag.
American Physical Society
Hva er bemerkelsesverdig, og på ingen måte opplagt, er at disse to effektene avbryt nesten nøyaktig., Det faktum at hastigheten av tyngdekraften er begrenset er det som induserer denne gravitasjonsfelt aberrasjon, men det faktum at den Generelle Relativitetsteorien (i motsetning til Newtonsk tyngdekraften) har velocity-avhengige vekselsvirkningene er det tillatt Newtonsk tyngdekraften til å være slik en god tilnærming. Det er bare en hastighet som arbeider for å gjøre dette kansellering en god en: hvis hastigheten av tyngdekraften er lik lysets hastighet.
Så det er teoretisk motivasjon for hvorfor hastigheten av tyngdekraften burde lik lysets hastighet., Hvis du vil planetenes baner for å være i samsvar med hva vi har sett, og å være konsekvent for alle observatører, må du ha en hastighet av tyngdekraften som er lik c, og for å ha teorien være relativistically invariant. Det er en annen påminnelse, imidlertid. I Generell Relativitetsteori, kansellering mellom gravitasjonsfelt aberrasjon og hastigheten avhenger av begrepet er nesten nøyaktig, men ikke helt. Bare høyre systemet kan åpenbare forskjellen mellom Einstein og Newton ‘ s spådommer.,
Når en massen beveger seg gjennom et område med buet plass, vil det oppleve en akselerasjon på grunn av det… buet plass det bor. Det opplever også en ekstra effekt på grunn av sin hastighet som den beveger seg gjennom et område der den romlige kurvatur er i stadig endring. Disse to effektene, når kombinert, resultere i en svak, liten forskjell fra spådommer om Newtons tyngdekraften.,
David Mester, Max Planck Institute for Radio Astronomy
I vårt eget nabolag, styrken på Solens tyngdekraft er altfor svak til å produsere en målbar effekt. Hva du ønsker er et system som hadde store gravitasjons-felt på små avstander fra en massiv kilde, der hastigheten av motiv i bevegelse er både rask og endring (akselerasjon) raskt, i et gravitasjonsfelt med en stor gradient.
Vår Solen ikke gir oss det, men miljøet rundt enten en binær svart hull eller en binær nøytron-stjerners gjør!, Ideelt sett, et system med et massivt objekt beveger seg med en endring av hastighet gjennom en endring av gravitasjonsfelt vil vise frem denne effekten. Og en binær nøytron-stjerners system, hvor en av de nøytron stjerner er en svært presis pulsar, passer regningen nøyaktig.
Når du har et enkelt objekt, som en pulsar, som går i bane i verdensrommet, det vil puls hver gang det… fullfører en 360 graders rotasjon til en fortuitously justert observatør., Hvis du plasserer det pulsar i et binært system med en annen tett, massive objektet, det vil gå raskt på plass, og viser både virkninger av gravitasjonsfelt aberrasjon og hastighet avhengig vekselsvirkningene, og deres inexact avbestilling tillater forskere å skjelne relativistiske spådommer for dette systemet fra Newtonsk seg.
ESO/L. Calçada
En pulsar, og i særdeleshet, et millisekund pulsar, er den beste naturlige klokke i Universet., Som nøytron-stjerners spinn, det sender ut en stråle av elektromagnetisk stråling som har en sjanse til å bli på linje med Jordens perspektiv gang hver 360 graders rotasjon. Hvis justeringen er riktig, vil vi observere disse pulsene som kommer med svært forutsigbar nøyaktighet og presisjon.
Hvis pulsar er i et binært system, men da beveger seg gjennom at en endring av gravitasjonsfelt vil føre til utslipp av gravitasjonsbølger, som bærer energi bort fra gravitating system. Tap av energien må komme fra et sted, og er kompensert ved forfall av pulsar er baner., Spådommer pulsar forfall er svært sensitive til hastighet av tyngdekraften, ved selv den aller første binære pulsar system noensinne oppdaget av seg selv, PSR 1913+16 (eller Hulse-Taylor binær), gjorde oss i stand til å begrense hastigheten av tyngdekraften til å være lik lysets hastighet for å bare 0.2%!
frekvensen av orbital decay av en binær pulsar er svært avhengig av hastigheten av tyngdekraften og… orbital parametere av det binære systemet. Vi har brukt binære pulsar data til å begrense hastigheten av tyngdekraften til å være lik lysets hastighet til en nøyaktighet på 99.,8%, og til å utlede eksistensen av gravitasjonsbølger tiår før LIGO og Jomfruen oppdaget dem. Imidlertid er den direkte påvisning av gravitasjonsbølger var en viktig del av den vitenskapelige prosessen, og eksistensen av gravitasjonsbølger ville fortsatt være i tvil uten det.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer (R)
Siden den gang, andre målinger har også vist ekvivalensen mellom lysets hastighet og hastighet av tyngdekraften., I 2002, sjanse tilfeldighet fikk Jorden, Jupiter, og en veldig sterk radio quasar (kjent som QSO J0842+1835) til alle plasser. Som Jupiter som passerer mellom Jorden og quasar, dens gravitasjonsfelt effekter forårsaket starlight å bøye seg på en måte som var speed-av-tyngdekraft-avhengig.,
Jupiter gjorde faktisk bøye lyset fra quasar, slik at vi kan utelukke en uendelig hastighet for hastigheten på alvor og finne ut at det faktisk var mellom 255 millioner kroner og 381 millioner meter per sekund, i samsvar med den nøyaktige verdien for speed of light (299,792,458 m/s) og også med Einsteins spådommer. Enda mer nylig, den første observasjoner av gravitasjonsbølger brakt oss enda strammere rammer.
Illustrasjon av en rask gamma-ray burst, lenge antatt å oppstå fra fusjonen av nøytron stjerner. Den…, gass-rikt miljø rundt dem kan forsinke ankomst av signalet, som forklarer den observerte 1.7 andre forskjellen mellom ankomster av gravitasjonsfelt og elektromagnetisk signaturer. Dette er det beste beviset vi har, observationally, at hastigheten av tyngdekraften må være lik lysets hastighet.,
ESO
Fra den aller første gravitasjonsfelt bølge oppdaget og forskjellen i deres ankomst ganger i Hanford, WA og Livingston, LA vi direkte lært at hastigheten av tyngdekraften tangert lysets hastighet til innenfor ca 70%, som ikke er en forbedring i forhold til det pulsar tidsmessige begrensninger. Men når 2017 så ankomst av både gravitasjonsbølger og lys fra et nøytron-stjerners-nøytron-stjerners fusjonen, det faktum at gamma-ray-signaler kom bare 1.,7 sekunder etter at gravitasjonsfelt bølge signal, over en reise på over 100 millioner lysår, lært oss at lysets hastighet og hastighet av tyngdekraften forskjellige av ikke mer enn 1 del i en kvadrillioner: 1015.
Så lenge gravitasjonsbølger og fotoner har ingen hvile masse, lover tilsier at de må flytte på nøyaktig samme hastighet: lysets hastighet, som må være lik hastighet av tyngdekraften., Selv før de begrensninger som fikk denne spektakulære, som krever at en gravitasjons teori reprodusere Newtonsk baner samtidig blir relativistically invariant fører til dette uunngåelige konklusjon. Hastighet og gravitasjon er akkurat lysets hastighet, og fysikk ikke ville ha tillatt det å være noen annen måte.