fale w czasoprzestrzeni są tym, czym są fale grawitacyjne i podróżują w przestrzeni z prędkością… światło we wszystkich kierunkach. Chociaż stałe elektromagnetyzmu nigdy nie pojawiają się w równaniach ogólnej teorii względności Einsteina, prędkość grawitacji jest niewątpliwie równa prędkości światła. Oto dlaczego.,
Europejskie Obserwatorium grawitacyjne, Lionel BRET/EUROLIOS
gdyby słońce samoistnie przestało emitować światło, nie wiedzielibyśmy o tym przez około 8 minut i 20 sekund. Światło, które dociera tutaj na Ziemię, właśnie w tym momencie, było emitowane z fotosfery słońca przez ograniczony czas w przeszłości i jest widoczne dopiero teraz po podróży przez 150 milionów km (93 miliony mil) oddzielających słońce od Ziemi. Gdyby słońce zrobiło się ciemno, nie dowiedzielibyśmy się, dopóki światło nie przestanie docierać.
ale co z grawitacją?, Gdyby słońce zostało spontanicznie (w jakiś sposób) usunięte z istnienia, jak długo Ziemia pozostawałaby na swojej eliptycznej orbicie przed odlotem w linii prostej? Wierzcie lub nie, ale odpowiedź na to pytanie musi być dokładnie taka sama, jak w przypadku światła: 8 minut i 20 sekund. Prędkość grawitacji nie tylko jest równa prędkości światła w niewiarygodnie dokładnym stopniu obserwacyjnie, ale te dwie stałe muszą być dokładnie równe teoretycznie, inaczej Ogólna teoria względności by się rozpadła. Oto nauka stojąca za tym.,
prawo Newtona o uniwersalnej grawitacji zostało zastąpione przez ogólną teorię względności Einsteina, ale… opiera się na koncepcji natychmiastowego działania (siły) na odległość i jest niezwykle prosta. Stała grawitacyjna w tym równaniu, G, wraz z wartościami dwóch mas i odległości między nimi, są jedynymi czynnikami wyznaczającymi siłę grawitacji. G pojawia się również w teorii Einsteina.,
użytkownik Wikimedia commons Dennis Nilsson
zanim pojawiła się ogólna teoria względności, naszą najbardziej udaną teorią grawitacji było uniwersalne prawo grawitacji Newtona. Według Newtona siła grawitacji pomiędzy dowolnymi dwoma obiektami w przestrzeni określona przez tylko cztery parametry:
- stała grawitacyjna wszechświata, G, która jest taka sama dla wszystkich.
- masa pierwszego obiektu, m, który doświadcza siły grawitacji. (Zgodnie z zasadą równoważności Einsteina, jest to to samo m, które przechodzi w prawa ruchu, jak F = ma . ,)
- masa drugiego obiektu, M, która przyciąga pierwszy obiekt.
- odległość między nimi, r, która rozciąga się od środka masy pierwszego obiektu do środka masy drugiego.
Należy pamiętać, że są to jedyne cztery parametry, które są dopuszczalne w grawitacji newtonowskiej. Można wykonywać wszelkiego rodzaju obliczenia z tego prawa siły, aby uzyskać na przykład eliptyczne orbity planet wokół Słońca. Ale równania działają tylko wtedy, gdy siła grawitacji jest natychmiastowa.,
orbity ośmiu głównych planet różnią się ekscentrycznością i różnicą między Peryhelium… (najbliższe podejście) i aphelion (najdalsza odległość) w stosunku do Słońca. Nie ma fundamentalnego powodu, dla którego niektóre planety są mniej lub bardziej ekscentryczne od siebie; jest to po prostu wynik początkowych warunków, z których powstał Układ Słoneczny., Jednakże, gdyby w jakiś sposób wyłączyć grawitacyjne działanie słońca, planety nie odleciłyby natychmiast, ale raczej wewnętrzne odleciłyby najpierw, a następnie zewnętrzne, ponieważ sygnały grawitacyjne ze słońca rozchodzą się tylko na zewnątrz z prędkością grawitacji, która powinna być równa prędkości światła.
NASA / JPL-Caltech/R. Hurt
To może cię trochę zaskoczyć., Wszakże jeśli prędkość grawitacji jest równa prędkości światła, a nie nieskończenie szybkiej sile, wówczas ziemia powinna być przyciągana tam gdzie Słońce znajdowało się 8 minut i 20 sekund temu, a nie tam gdzie Słońce znajduje się teraz, w tym właśnie momencie czasowym. Ale jeśli zamiast tego wykonasz te obliczenia i pozwolisz, aby ziemia była przyciągana do poprzedniego położenia słońca, a nie do jego obecnego położenia, otrzymasz prognozę jego orbity, która jest tak całkowicie błędna, że sam Newton, z wysokiej jakości obserwacjami cofającymi się mniej niż 100 lat (do czasu Tycho Brahe), mógłby to wykluczyć.,
w rzeczywistości, gdybyś użył praw Newtona do obliczenia orbit planet i zażądał, aby były one zgodne z nowoczesnymi obserwacjami, nie tylko prędkość grawitacji musiałaby być szybsza niż prędkość światła, ale musiałaby być co najmniej 20 miliardów razy szybsza: nie do odróżnienia od nieskończonej prędkości.
dokładny model, w jaki sposób planety okrążają słońce, które następnie przemieszcza się przez galaktykę w… inny kierunek ruchu., Gdyby słońce po prostu zniknęło, teoria Newtona przewiduje, że wszystkie one natychmiast odlatują w liniach prostych, podczas gdy Einstein przewiduje, że planety wewnętrzne będą krążyć na orbicie przez krótsze okresy czasu niż planety zewnętrzne.
Rhys Taylor
problem jest taki: jeśli masz siłę centralną, w której związana cząstka, taka jak (na przykład) Ziemia, jest przyciągana do Słońca, ale porusza się wokół Słońca (orbitując lub propagując się) ze skończoną prędkością, otrzymasz orbitę czysto eliptyczną tylko wtedy, gdy prędkość propagacji tej siły jest nieskończona., Jeśli jest skończona, to nie tylko otrzymujesz przyspieszenie promieniowe (w kierunku innej masy), ale także otrzymujesz składnik, który przyspiesza Twoją cząstkę stycznie.
To sprawi, że orbity będą nie tylko eliptyczne, ale i niestabilne. W skali zaledwie wieku orbity zmieniłyby się znacznie. W 1805 Laplace wykorzystał obserwacje Księżyca, aby wykazać, że prędkość grawitacji newtonowskiej musi być 7 milionów razy większa niż prędkość światła. Współczesne ograniczenia są teraz 20 miliardów razy większe od prędkości światła, co jest Świetne dla Newtona. Ale to wszystko stanowiło wielkie obciążenie dla Einsteina.,
jeden z rewolucyjnych aspektów ruchu relatywistycznego, wysunięty przez Einsteina, ale wcześniej zbudowany przez.. Lorentz, Fitzgerald i inni, że szybko poruszające się obiekty zdawały się kurczyć w przestrzeni i rozszerzać w czasie. Im szybciej poruszasz się w stosunku do kogoś w stanie spoczynku, tym większe są Twoje długości, podczas gdy więcej czasu wydaje się rozszerzać dla świata zewnętrznego., Ten obraz mechaniki relatywistycznej zastąpił stary Newtonowski pogląd na mechanikę klasyczną, ale niesie również ogromne implikacje dla teorii, które nie są relatywistycznie niezmienne, jak grawitacja Newtonowska.
Curt Renshaw
według Einsteina, istnieje duży problem, koncepcyjnie, z prawem grawitacji Newtona: odległość między dowolnymi dwoma obiektami nie jest absolutną wielkością, ale raczej zależy od ruchu obserwatora., Jeśli poruszasz się w kierunku lub z dala od wyimaginowanej linii, odległości w tym kierunku będą się kurczyć, w zależności od względnych prędkości. Aby siła grawitacji była obliczalną wielkością, wszyscy obserwatorzy musieliby uzyskać spójne wyniki, czego nie można uzyskać łącząc teorię względności z prawem grawitacji Newtona.
dlatego, według Einsteina, musiałbyś opracować teorię, która łączyła grawitację i ruchy relatywistyczne, a to oznaczało rozwinięcie ogólnej teorii względności: relatywistycznej teorii ruchu, która włączała w nią grawitację., Po zakończeniu, Ogólna teoria względności opowiedziała dramatycznie inną historię.
animowane spojrzenie na to, jak czasoprzestrzeń reaguje, gdy masa przemieszcza się przez nią, pomaga pokazać dokładnie, jak… jakościowo, nie jest to tylko arkusz tkaniny, ale cała przestrzeń zostaje zakrzywiona przez obecność i właściwości materii i energii we wszechświecie. Zauważ, że czasoprzestrzeń może być opisana tylko wtedy, gdy uwzględnimy nie tylko położenie masywnego obiektu, ale także miejsce, w którym ta masa znajduje się w czasie., Zarówno chwilowe położenie, jak i historia miejsca, w którym znajdował się ten obiekt, determinują siły doświadczane przez obiekty poruszające się po wszechświecie.
LucasVB
aby przekonać różnych obserwatorów do zgody na działanie grawitacji, nie może istnieć coś takiego jak przestrzeń absolutna, Czas absolutny lub sygnał, który propaguje się z nieskończoną prędkością., Zamiast tego, przestrzeń i czas muszą być względne dla różnych obserwatorów, a sygnały mogą propagować się tylko z prędkościami dokładnie równymi prędkości światła (jeśli propagująca się cząstka jest bezmasowa) lub z prędkościami poniżej prędkości światła (jeśli cząstka ma masę).
aby to się udało, musi istnieć dodatkowy efekt, aby wyeliminować problem niezerowego przyspieszenia stycznego, który jest indukowany przez skończoną prędkość grawitacji., Zjawisko to, znane jako aberracja grawitacyjna, jest niemal dokładnie anulowane przez fakt, że ogólna teoria względności ma również interakcje zależne od prędkości. Gdy Ziemia porusza się w przestrzeni, na przykład, czuje, że siła słońca zmienia się, gdy zmienia swoje położenie, tak samo jak łódź podróżująca przez ocean zejdzie w innej pozycji, gdy zostanie podniesiona i opuszczona ponownie przez falę przepływającą.
promieniowanie grawitacyjne jest emitowane, gdy masa okrąża inną, co oznacza, że przez długi czas… wystarczająco dużo czasu, orbity ulegną rozpadowi., Zanim pierwsza czarna dziura wyparuje, ziemia zacznie spiralnie obracać się w to, co zostało ze słońca, zakładając, że nic innego nie wyrzuciło jej wcześniej. Ziemia jest przyciągana do miejsca, w którym słońce było około 8 minut temu, a nie do miejsca, w którym jest dzisiaj.
American Physical Society
co jest niezwykłe, i bynajmniej nie oczywiste, jest to, że te dwa efekty anulować prawie dokładnie., Fakt, że prędkość grawitacji jest skończona, jest tym, co indukuje tę aberrację grawitacyjną, ale fakt, że ogólna teoria względności (w przeciwieństwie do grawitacji newtonowskiej) ma interakcje zależne od prędkości, jest tym, co pozwoliło grawitacji newtonowskiej być tak dobrym przybliżeniem. Jest tylko jedna prędkość, która działa, aby to anulowanie było dobre: jeśli prędkość grawitacji jest równa prędkości światła.
więc to jest teoretyczna motywacja, dlaczego prędkość grawitacji powinna być równa prędkości światła., Jeśli chcesz, aby orbity planet były zgodne z tym, co widzieliśmy, i aby były spójne dla wszystkich obserwatorów, potrzebujesz prędkości grawitacji równej c, i aby Twoja teoria była relatywistycznie niezmienna. Jest jednak jeszcze jedno zastrzeżenie. W ogólnej teorii względności, odwołanie między aberracją grawitacyjną a pojęciem zależnym od prędkości jest prawie dokładne, ale nie do końca. Tylko właściwy system może ujawnić różnicę między przewidywaniami Einsteina i Newtona.,
gdy masa przemieszcza się przez obszar zakrzywionej przestrzeni, odczuwa przyspieszenie dzięki… zakrzywiona przestrzeń, którą zamieszkuje. Doświadcza również dodatkowego efektu ze względu na swoją prędkość, gdy przemieszcza się przez obszar, w którym krzywizna przestrzenna stale się zmienia. Te dwa efekty, połączone, powodują niewielką, niewielką różnicę w stosunku do przewidywań grawitacji Newtona.,
David Champion, Max Planck Institute for Radio Astronomy
w naszym sąsiedztwie siła grawitacji słońca jest zbyt słaba, aby wywołać wymierny efekt. To, czego potrzebujesz, to system, który miał duże pola grawitacyjne w małych odległościach od masywnego źródła, gdzie prędkość poruszającego się obiektu jest zarówno Szybka, jak i zmienia się (przyspiesza) szybko, w polu grawitacyjnym o dużym gradiencie.
nasze Słońce nie daje nam tego, ale środowisko wokół czarnej dziury binarnej lub gwiazdy neutronowej binarnej tak!, Idealnie, układ z masywnym obiektem poruszającym się ze zmieniającą się prędkością przez zmieniające się pole grawitacyjne pokaże ten efekt. A podwójny układ neutronowy, w którym jedna z gwiazd neutronowych jest bardzo precyzyjnym pulsarem, pasuje dokładnie do rachunku.
Kiedy masz pojedynczy obiekt, taki jak pulsar, krążący w przestrzeni, będzie pulsował za każdym razem… wykonuje obrót o 360 stopni w kierunku obserwatora., Jeśli umieścisz ten pulsar w układzie podwójnym z innym gęstym, masywnym obiektem, będzie on poruszał się szybko przez tę przestrzeń, wykazując zarówno skutki aberracji grawitacyjnej, jak i oddziaływań zależnych od prędkości, a ich niedokładne anulowanie pozwoli naukowcom odróżnić relatywistyczne przewidywania dla tego układu od newtonowskich.
ESO/L. Calçada
pulsar, a w szczególności milisekundowy pulsar, jest najlepszym naturalnym zegarem we wszechświecie., Gdy gwiazda neutronowa obraca się, emituje strumień promieniowania elektromagnetycznego, który ma szansę być wyrównany z perspektywą ziemi raz na 360 stopni obrotu. Jeśli wyrównanie jest właściwe, będziemy obserwować te impulsy przybywające z niezwykle przewidywalną dokładnością i precyzją.
Jeśli jednak pulsar znajduje się w układzie podwójnym, to poruszanie się przez to zmieniające się pole grawitacyjne spowoduje emisję fal grawitacyjnych, które przenoszą energię z układu grawitacyjnego. Utrata tej energii musi skądś pochodzić i jest kompensowana przez rozpad Orbit pulsara., Przewidywania rozpadu pulsara są bardzo wrażliwe na prędkość grawitacji; użycie nawet pierwszego, odkrytego przez siebie układu podwójnego pulsara, PSR 1913+16 (lub binarnego Hulse ' a-Taylora), pozwoliło nam ograniczyć prędkość grawitacji do prędkości światła do zaledwie 0,2%!
szybkość rozpadu orbitalnego pulsara binarnego jest w dużej mierze zależna od prędkości grawitacji i … .. parametry orbitalne układu binarnego. Wykorzystaliśmy binarne dane pulsara, aby ograniczyć prędkość grawitacji do prędkości światła z dokładnością do 99.,8% i wnioskować o istnieniu fal grawitacyjnych kilkadziesiąt lat przed wykryciem ich przez LIGO i Virgo. Jednak bezpośrednie wykrywanie fal grawitacyjnych było istotną częścią procesu naukowego, a istnienie fal grawitacyjnych nadal byłoby wątpliwe bez niego.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer (R)
od tego czasu inne pomiary wykazały również równoważność prędkości światła i prędkości grawitacji., W 2002 przypadkowy zbieg okoliczności spowodował, że Ziemia, Jowisz i bardzo silny Kwazar radiowy (znany jako QSO J0842+1835) wyrównały się. Gdy Jowisz przechodził między Ziemią a kwazarem, jego oddziaływanie grawitacyjne spowodowało wygięcie światła gwiazdy w sposób zależny od prędkości grawitacji.,
Jowisz w rzeczywistości zgiął światło od kwazara, co pozwoliło nam wykluczyć nieskończoną prędkość dla prędkości grawitacji i ustalić, że była ona w rzeczywistości pomiędzy 255 milionów a 381 milionów metrów na sekundę, zgodnie z dokładną wartością prędkości światła (299 792 458 m/s), a także z przewidywaniami Einsteina. Jeszcze niedawno pierwsze obserwacje fal grawitacyjnych przyniosły nam jeszcze większe ograniczenia.
Ilustracja szybkiego rozbłysku gamma, długo uważanego za wynik fuzji gwiazd neutronowych. The…, otaczające je środowisko bogate w gaz może opóźnić nadejście sygnału, wyjaśniając obserwowaną różnicę 1,7 sekundy między przybyciem sygnatur grawitacyjnych i elektromagnetycznych. Jest to najlepszy dowód, jaki mamy, obserwacyjnie, że prędkość grawitacji musi być równa prędkości światła.,
ESO
od pierwszej wykrytej fali grawitacyjnej i różnicy w czasie ich przybycia do Hanford, Wa i Livingston, LA, bezpośrednio dowiedzieliśmy się, że prędkość grawitacji zrównała prędkość światła do około 70%, co nie jest poprawą w stosunku do ograniczeń czasowych pulsara. Ale kiedy w 2017 roku pojawiły się zarówno fale grawitacyjne, jak i światło pochodzące z połączenia gwiazdy neutronowej z gwiazdą neutronową, fakt, że sygnały gamma dotarły zaledwie 1.,7 sekund po sygnale fali grawitacyjnej, podczas podróży trwającej ponad 100 milionów lat świetlnych, nauczyło nas, że prędkość światła i prędkość grawitacji różnią się nie więcej niż o 1 część w kwadrylionie: 1015.
dopóki fale grawitacyjne i fotony nie mają masy spoczynkowej, prawa fizyki nakazują, że muszą poruszać się z dokładnie tą samą prędkością: prędkością światła, która musi być równa prędkości grawitacji., Jeszcze zanim ograniczenia stały się tak spektakularne, wymaganie, aby teoria grawitacyjna odtwarzała orbity Newtonowskie, a jednocześnie była relatywistycznie niezmienna, prowadzi do tego nieuniknionego wniosku. Prędkość grawitacji jest dokładnie prędkością światła, a fizyka nie pozwoliłaby, żeby było inaczej.