undele în spațiu-timp sunt ceea ce sunt undele gravitaționale și călătoresc prin spațiu cu viteza… lumină în toate direcțiile. Deși constantele electromagnetismului nu apar niciodată în ecuațiile Relativității Generale a lui Einstein, viteza gravitației este, fără îndoială, egală cu viteza luminii. Iată de ce.,Observatorul gravitațional European, Lionel BRET / EUROLIOS
dacă soarele ar înceta spontan să emită lumină, nu am ști despre asta timp de aproximativ 8 minute și 20 de secunde. Lumina care ajunge aici pe Pământ, chiar în acest moment, a fost emisă din fotosfera soarelui o perioadă finită de timp în trecut și este văzută acum doar după o călătorie de-a lungul celor 150 de milioane de km (93 de milioane de mile) care separă soarele de pământ. Dacă soarele s-ar întuneca chiar acum, nu am afla până când lumina nu ar mai sosi.dar cum rămâne cu gravitația?, Dacă soarele ar fi înlăturat spontan (cumva) din existență, cât timp ar rămâne pământul pe orbita sa eliptică înainte de a zbura în linie dreaptă? Credeți sau nu, Răspunsul la acest lucru trebuie să fie exact același timp ca și pentru lumină: 8 minute și 20 de secunde. Viteza gravitației nu numai că este egală cu viteza luminii într-un grad observațional incredibil de precis, dar aceste două constante trebuie să fie exact egale teoretic, altfel relativitatea generală s-ar destrăma. Iată știința din spatele motivului.,legea gravitației universale a lui Newton a fost înlocuită de relativitatea generală a lui Einstein, dar… bazat pe conceptul de acțiune instantanee (forță) la distanță, și este incredibil de simplă. Constanta gravitațională din această ecuație, G, împreună cu valorile celor două mase și distanța dintre ele, sunt singurii factori în determinarea unei forțe gravitaționale. G apare și în teoria lui Einstein.,
utilizator Wikimedia commons Dennis Nilsson
înainte de apariția Relativității Generale, cea mai de succes teorie a gravitației a fost Legea Universală a gravitației a lui Newton. Potrivit lui Newton, forța gravitațională dintre oricare două obiecte în spațiu definite de doar patru parametri:
- constanta gravitațională a Universului, G, care este aceeași pentru toată lumea.
- masa primului obiect, m, care experimentează forța gravitațională. (Prin principiul echivalenței lui Einstein, acesta este același m care intră în legile mișcării, cum ar fi F = ma.,)
- masa celui de-al doilea obiect, M, care atrage primul obiect.
- distanța dintre ele, r, care se extinde de la Centrul de masă al primului obiect la Centrul de masă al celui de-al doilea.rețineți că aceștia sunt singurii patru parametri care sunt admisibili în gravitația Newtoniană. Puteți efectua tot felul de calcule din această lege a forței pentru a obține, de exemplu, orbite planetare eliptice în jurul Soarelui. Dar ecuațiile funcționează numai dacă forța gravitațională este instantanee.,orbitele celor opt planete majore variază în excentricitate și diferența dintre periheliu… (cea mai apropiată abordare) și aphelion (cea mai îndepărtată distanță) în raport cu soarele. Nu există niciun motiv fundamental pentru care unele planete sunt mai mult sau mai puțin excentrice una față de cealaltă; este pur și simplu un rezultat al condițiilor inițiale din care s-a format Sistemul Solar., Cu toate acestea, dacă ar fi să dezactivați cumva efectele gravitaționale ale soarelui, planetele nu ar zbura instantaneu, ci mai degrabă cele interioare ar zbura mai întâi, urmate de cele exterioare, deoarece semnalele gravitaționale de la soare se propagă doar spre exterior cu viteza gravitației, care ar trebui să fie egală cu viteza luminii.
NASA / JPL-Caltech / R. Hurt
Acest lucru s-ar putea puzzle un pic., La urma urmei, dacă viteza gravitației este egală doar cu viteza luminii, mai degrabă decât cu o forță infinit de rapidă, atunci pământul ar trebui să fie atras de locul în care soarele a fost acum 8 minute și 20 de secunde, nu unde este soarele chiar acum, în acest moment special în timp. Dar dacă faci asta calcul în schimb, și pentru a permite Pământului să fie atras de Soare trecut poziție mai degrabă decât poziția sa actuală, veți obține o predicție pentru orbita sa, care este atât de bine greșit că Newton însuși, cu observații asupra calității merge înapoi mai mult de 100 de ani (la data de Tycho Brahe), ar putea fi exclus.,
de fapt, dacă ați folosit legile lui Newton pentru a calcula orbitele planetelor și a cerut ca acestea se potrivesc moderne observații, nu numai viteza de gravitație trebuie să fie mai rapid decât viteza luminii, ar trebui să fie un minim de 20 de miliarde de ori mai repede: imposibil de distins de la o viteză infinită.un model precis al modului în care planetele orbitează Soarele, care apoi se deplasează prin galaxie într-o… direcție diferită de mișcare., Dacă soarele ar fi pur și simplu să clipească din existență, teoria lui Newton prezice că toate ar zbura instantaneu în linii drepte, în timp ce Einstein prezice că planetele interioare vor continua să orbiteze pentru perioade mai scurte de timp decât planetele exterioare.
Rhys Taylor
problema este aceasta: dacă aveți o forță centrală, unde o particulă legată ca (de exemplu) Pământul este atrasă de soare, dar se mișcă în jurul Soarelui (orbitează sau se propagă) la o viteză finită, veți obține o orbită pur eliptică numai dacă viteza de propagare a acelei forțe este infinită., Dacă este finit, atunci nu obțineți doar o accelerație radială (spre cealaltă masă), ci obțineți și o componentă care accelerează tangențial particula.acest lucru ar face orbitele nu numai eliptice, ci instabile. Pe scara unui simplu secol, orbitele s-ar schimba substanțial. Până în 1805, Laplace a folosit observațiile lunii pentru a demonstra că viteza gravitației newtoniene trebuie să fie de 7 milioane de ori mai mare decât viteza luminii. Constrângerile moderne sunt acum de 20 de miliarde de ori mai mari decât viteza luminii, ceea ce este excelent pentru Newton. Dar toate acestea au pus o mare povară pe Einstein.,un aspect revoluționar al mișcării relativiste, pus mai departe de Einstein, dar construit anterior de… Lorentz, Fitzgerald și alții, că obiectele în mișcare rapidă păreau să se contracte în spațiu și să se dilate în timp. Cu cât te miști mai repede în raport cu cineva în repaus, cu atât lungimile tale par să fie contractate, în timp ce mai mult timp pare să se dilate pentru lumea exterioară., Această imagine, a mecanicii relativiste, a înlocuit vechea viziune Newtoniană a mecanicii clasice, dar are, de asemenea, implicații enorme pentru teorii care nu sunt invariante relativistic, cum ar fi gravitația Newtoniană.conform lui Einstein, există o mare problemă, conceptual, cu Legea forței gravitaționale a lui Newton: distanța dintre oricare două obiecte nu este o cantitate absolută, ci mai degrabă depinde de mișcarea observatorului., Dacă vă deplasați spre sau departe de orice linie imaginară pe care o desenați, distanțele în această direcție se vor contracta, în funcție de vitezele relative. Pentru ca forța gravitațională să fie o cantitate calculabilă, toți observatorii ar trebui să obțină rezultate consistente, lucru pe care nu îl puteți obține combinând relativitatea cu legea forței gravitaționale a lui Newton.
prin Urmare, conform lui Einstein, ar trebui să dezvolte o teorie care a adus gravitației și relativistă moțiuni împreună, și care a însemnat dezvoltarea Relativității Generale: o teorie relativistă de mișcare încorporat greutate în ea., Odată finalizată, relativitatea generală a spus o poveste dramatic diferită.
o privire animat la modul în care spațiu-timp răspunde ca o masă se mișcă prin ea ajută prezenta exact cum,… din punct de vedere calitativ, nu este doar o foaie de țesătură, ci tot spațiul în sine este curbat de prezența și proprietățile materiei și energiei din Univers. Rețineți că spațiul-timp poate fi descris numai dacă includem nu numai poziția obiectului masiv, ci și locul în care acea masă este localizată de-a lungul timpului., Atât locația instantanee, cât și istoria trecută a locului în care a fost localizat acel obiect determină forțele experimentate de obiectele care se deplasează prin Univers.pentru a obține observatori diferiți să convină asupra modului în care funcționează gravitația, nu poate exista spațiu absolut, timp absolut sau un semnal care se propagă cu viteză infinită., În schimb, spațiul și timpul trebuie să fie relative pentru observatori diferiți, iar semnalele se pot propaga numai la viteze care sunt exact egale cu viteza luminii (dacă particula de propagare este fără masă) sau la viteze care sunt sub viteza luminii (dacă particula are masă).pentru ca acest lucru să funcționeze, totuși, trebuie să existe un efect suplimentar pentru a anula problema unei accelerații tangențiale non-zero, care este indusă de o viteză finită a gravitației., Acest fenomen, cunoscut sub numele de aberație gravitațională, este aproape exact anulat de faptul că relativitatea generală are și interacțiuni dependente de viteză. Pe măsură ce Pământul se deplasează prin spațiu, de exemplu, simte că forța soarelui se schimbă pe măsură ce își schimbă poziția, la fel cum o barcă care călătorește prin ocean va coborî într-o poziție diferită pe măsură ce este ridicată și coborâtă din nou de un val care trece.
radiația gravitațională este emisă ori de câte ori o masă orbitează alta, ceea ce înseamnă că pe termen lung… timp suficient, orbitele se vor dezintegra., Înainte ca prima gaură neagră să se evapore, pământul va spirala în tot ce a mai rămas din Soare, presupunând că nimic altceva nu l-a ejectat anterior. Pământul este atras de locul în care soarele a fost acum aproximativ 8 minute, nu de locul în care este astăzi.ceea ce este remarcabil, și în nici un caz evident, este că aceste două efecte anula aproape exact., Faptul că viteza gravitației este finită este ceea ce induce această aberație gravitațională, dar faptul că relativitatea generală (spre deosebire de gravitația Newtoniană) are interacțiuni dependente de viteză este ceea ce a permis gravitației newtoniene să fie o aproximare atât de bună. Există o singură viteză care funcționează pentru a face această anulare una bună: dacă viteza gravitației este egală cu viteza luminii.deci, aceasta este motivația teoretică pentru motivul pentru care viteza gravitației ar trebui să fie egală cu viteza luminii., Dacă doriți ca orbitele planetare să fie în concordanță cu ceea ce am văzut, și să fie consecvente pentru toți observatorii, aveți nevoie de o viteză a gravitației egală cu c, și ca teoria voastră să fie invariantă relativist. Există un alt avertisment, cu toate acestea. În relativitatea generală, anularea dintre aberația gravitațională și termenul dependent de viteză este aproape exactă, dar nu chiar. Numai sistemul potrivit poate dezvălui diferența dintre predicțiile lui Einstein și Newton.,când o masă se deplasează printr-o regiune a spațiului curbat, va experimenta o accelerare datorită… spațiu curbat pe care îl locuiește. De asemenea, are un efect suplimentar datorită vitezei sale în timp ce se deplasează printr-o regiune în care curbura spațială se schimbă în mod constant. Aceste două efecte, atunci când sunt combinate, au ca rezultat o mică diferență mică față de predicțiile gravitației lui Newton.,David Champion, Institutul Max Planck pentru radioastronomie
în cartierul nostru, forța gravitației soarelui este mult prea slabă pentru a produce un efect măsurabil. Ceea ce ai vrea este un sistem care a avut câmpuri gravitaționale mari la distanțe mici de la o sursă masivă, în cazul în care viteza de obiect în mișcare este atât de rapid și în schimbare (accelerare) rapid, într-un câmp gravitațional cu un gradient mare.
Soarele nostru nu ne oferă acest lucru, dar mediul din jurul unei găuri negre binare sau al unei stele neutronice binare face acest lucru!, În mod ideal, un sistem cu un obiect masiv care se deplasează cu o viteză în schimbare printr-un câmp gravitațional în schimbare va prezenta acest efect. Și un sistem binar de stele neutronice, unde una dintre stelele neutronice este un pulsar foarte precis, se potrivește exact facturii.când aveți un singur obiect, ca un pulsar, care orbitează în spațiu, acesta va impulsiona de fiecare dată… finalizează o rotație de 360 de grade la un observator aliniat fortuit., Dacă plasați acel pulsar într-un sistem binar cu un alt obiect dens, masiv, acesta se va deplasa rapid prin acel spațiu, prezentând atât efectele aberației gravitaționale, cât și interacțiunile dependente de viteză, iar anularea lor inexactă permite oamenilor de știință să discearnă predicțiile relativiste pentru acest sistem de cele newtoniene.un pulsar, și în special un pulsar milisecund, este cel mai bun ceas natural din Univers., Pe măsură ce steaua neutronică se învârte, emite un jet de radiații electromagnetice care are șansa de a fi aliniat cu perspectiva Pământului o dată la fiecare rotație de 360 de grade. Dacă alinierea este corectă, vom observa aceste impulsuri sosind cu o precizie și o precizie extraordinar de previzibile.dacă pulsarul se află într-un sistem binar, atunci deplasarea prin acel câmp gravitațional în schimbare va provoca emisia de unde gravitaționale, care transportă energia departe de sistemul gravitațional. Pierderea acelei energii trebuie să vină de undeva și este compensată de decăderea orbitelor pulsarului., Previziunile de pulsar degradare este extrem de sensibil la viteza de gravitate; folosind chiar primul pulsar binar sistemul descoperit vreodată de la sine, PSR 1913+16 (sau Hulse-Taylor binar), ne-a permis să limiteze viteza de greutate să fie egală cu viteza luminii cu o eroare de doar 0,2%!rata de dezintegrare orbitală a unui Pulsar binar depinde foarte mult de viteza gravitației și de… parametrii orbitali ai sistemului binar. Am folosit date pulsare binare pentru a constrânge viteza gravitației să fie egală cu viteza luminii la o precizie de 99.,8%, și pentru a deduce existența undelor gravitaționale cu zeci de ani înainte ca LIGO și Fecioara să le detecteze. Cu toate acestea, detectarea directă a undelor gravitaționale a fost o parte vitală a procesului științific, iar existența undelor gravitaționale ar fi încă îndoielnică fără ea.
NASA (l), Institutul Max Planck pentru radioastronomie / Michael Kramer (R)
Din acel moment, alte măsurători au demonstrat, de asemenea, echivalența dintre viteza luminii și viteza gravitației., În 2002, coincidența întâmplătoare a făcut ca Pământul, Jupiter și un quasar radio foarte puternic (cunoscut sub numele de QSO J0842+1835) să se alinieze tuturor. Pe măsură ce Jupiter a trecut între Pământ și quasar, efectele sale gravitaționale au făcut ca lumina stelelor să se îndoaie într-o manieră dependentă de viteza gravitației.,
Jupiter făcut, de fapt, îndoiți lumina de la quasar, permițându-ne pentru a exclude o viteză infinită pentru viteza de gravitatea și de a determina care a fost de fapt între 255 de milioane de euro și 381 de milioane de metri pe secundă, în concordanță cu valoarea exactă a vitezei luminii (de 299.792.458 m/s) și, de asemenea, cu predicțiile lui Einstein. Chiar mai recent, primele observații ale undelor gravitaționale ne-au adus constrângeri și mai stricte.ilustrația unei explozii rapide de raze gama, mult timp gândită să apară din fuziunea stelelor neutronice. La…, mediul bogat în gaze care le înconjoară ar putea întârzia sosirea semnalului, explicând diferența observată de 1,7 secunde între sosirile semnăturilor gravitaționale și electromagnetice. Aceasta este cea mai bună dovadă pe care o avem, observațional, că viteza gravitației trebuie să fie egală cu viteza luminii.,de la prima undă gravitațională detectată și diferența de timp de sosire la Hanford, WA și Livingston, LA, am aflat direct că viteza gravitației a egalat viteza luminii la aproximativ 70% , ceea ce nu este o îmbunătățire față de constrângerile de sincronizare pulsar. Dar când 2017 a văzut sosirea atât a undelor gravitaționale, cât și a luminii de la o fuziune stea neutronică-stea neutronică, faptul că semnalele de raze gamma au venit doar 1.,La 7 secunde după semnalul undelor gravitaționale, într-o călătorie de peste 100 de milioane de ani lumină, ne-a învățat că viteza luminii și viteza gravitației diferă cu nu mai mult de 1 parte într-un cvadrilion: 1015.atâta timp cât undele gravitaționale și fotonii nu au Masă de odihnă, legile fizicii dictează că trebuie să se miște exact la aceeași viteză: viteza luminii, care trebuie să fie egală cu viteza gravitației., Chiar înainte de constrângerile luat acest spectaculos, care necesită ca o teorie gravitațională reproduce orbitele newtoniene în timp ce simultan fiind relativist invariant duce la această concluzie inevitabilă. Viteza gravitației este exact viteza luminii, iar fizica nu i-ar fi permis să fie altfel.