krusningar i rymdtid är vad gravitationsvågor är, och de reser genom rymden med hastigheten på… ljus i alla riktningar. Även om elektromagnetismens konstanter aldrig förekommer i ekvationerna för Einsteins allmänna relativitet, motsvarar gravitationshastigheten utan tvekan ljusets hastighet. Här är varför.,
Europeiska Gravitationsobservatoriet, Lionel BRET / EUROLIOS
Om solen spontant skulle sluta släppa ut ljus, skulle vi inte veta om det i ca 8 minuter och 20 sekunder. Ljuset som kommer hit på jorden, just nu, släpptes från solens fotosfär en ändlig tid i det förflutna, och ses först nu efter en resa över 150 miljoner km (93 miljoner miles) som skiljer solen från jorden. Om solen skulle bli mörk just nu, skulle vi inte ta reda på förrän ljuset slutade komma.
men hur är det med gravitation?, Om solen spontant (på något sätt) avlägsnades från existens, hur länge skulle jorden vara kvar i sin elliptiska bana innan den flyger i en rak linje? Tro det eller ej, svaret på detta måste vara exakt samma tid som det var för ljus: 8 minuter och 20 sekunder. Gravitationshastigheten är inte bara lika med ljusets hastighet till en otroligt exakt grad observationellt, men dessa två konstanter måste vara exakt lika teoretiskt, eller allmän relativitet skulle falla ifrån varandra. Här är vetenskapen bakom varför.,
Newtons lag om universell Gravitation har ersatts av Einsteins allmänna relativitet, men… förlitat sig på begreppet en ögonblicklig handling (kraft) på avstånd, och är otroligt enkelt. Gravitationskonstanten i denna ekvation, G, tillsammans med värdena för de två massorna och avståndet mellan dem, är de enda faktorerna för att bestämma en gravitationskraft. G visas också i Einsteins teori.,
Wikimedia commons användare Dennis Nilsson
innan allmän relativitet kom, var vår mest framgångsrika gravitationsteori Newtons universella gravitationslag. Enligt Newton definieras gravitationskraften mellan två objekt i rymden med bara fyra parametrar:
- universums gravitationskonstant, G, vilket är detsamma för alla.
- massan av det första objektet, m, som upplever gravitationskraften. (Genom Einsteins likvärdighetsprincip är detta samma m som går in i rörelselagarna, som F = ma.,)
- massan av det andra objektet, M, som lockar det första objektet.
- avståndet mellan dem, r, som sträcker sig från mitten av massan av det första objektet till mitten av massan av den andra.
tänk på att dessa är de enda fyra parametrar som är tillåtna i newtonisk gravitation. Du kan utföra alla slags beräkningar från denna kraftlag för att härleda, till exempel elliptiska planetariska banor runt solen. Men ekvationerna fungerar bara om gravitationskraften är ögonblicklig.,
banorna för de åtta stora planeterna varierar i excentricitet och skillnaden mellan perihelium… (närmaste tillvägagångssätt) och aphelion (längst avstånd) med avseende på solen. Det finns ingen grundläggande anledning till att vissa planeter är mer eller mindre excentriska än varandra; det är helt enkelt ett resultat av de ursprungliga förhållandena från vilka solsystemet bildades., Men om du på något sätt skulle stänga av gravitationseffekterna av solen, skulle planeterna inte flyga omedelbart, utan de inre skulle flyga först, följt av de yttre, eftersom gravitationssignalerna från solen bara sprider sig utåt med gravitationshastigheten, vilket borde motsvara ljusets hastighet.
NASA / JPL-Caltech/R. Hurt
detta kan pussla dig lite., När allt kommer omkring, om gravitationshastigheten bara är lika med ljusets hastighet, snarare än en oändligt snabb kraft, bör jorden lockas till där solen var 8 minuter och 20 sekunder sedan, inte där solen är just nu, vid det här ögonblicket i tid. Men om du gör den beräkningen istället, och låter jorden lockas till solens tidigare position snarare än dess nuvarande position, får du en förutsägelse för sin omloppsbana som är så grundligt fel att Newton själv, med kvalitetsobservationer som går tillbaka mindre än 100 år (till Tycho Brahes tid), kunde ha uteslutit det.,
faktum är att om du använde Newtons lagar för att beräkna planetens banor och krävde att de matchar moderna observationer, skulle inte bara gravitationshastigheten vara snabbare än ljusets hastighet, det måste vara minst 20 miljarder gånger snabbare: oskiljbar från en oändlig hastighet.
en exakt modell av hur planeterna kretsar kring solen, som sedan rör sig genom galaxen i en… olika rörelseriktning., Om solen helt enkelt skulle blinka ut ur existens förutspår Newtons teori att de alla omedelbart skulle flyga i raka linjer, medan Einsteins förutspår att de inre planeterna skulle fortsätta att kretsa under kortare tidsperioder än de yttre planeterna.
Rhys Taylor
problemet är detta: om du har en central kraft, där en bunden partikel som (till exempel) jorden lockas till solen men rör sig runt solen (kretsar eller förökar sig) med en ändlig hastighet, får du bara en rent elliptisk bana om den kraftens utbredningshastighet är oändlig., Om det är ändligt får du inte bara en radiell acceleration (mot den andra massan), men du får också en komponent som accelererar din partikel tangentiellt.
detta skulle göra banor inte bara elliptiska, men instabila. På skalan av bara ett sekel skulle banor flytta väsentligt. Vid 1805 hade Laplace använt observationer av månen för att visa att hastigheten på newtonska gravitationen måste vara 7 miljoner gånger större än ljusets hastighet. Moderna begränsningar är nu 20 miljarder gånger ljusets hastighet, vilket är bra för Newton. Men allt detta lade en stor börda på Einstein.,
en revolutionerande aspekt av relativistisk rörelse, framlagd av Einstein men tidigare uppbyggd av… Lorentz, Fitzgerald och andra, som snabbt rörliga objekt tycktes komma i kontakt i rymden och dilatera i tid. Ju snabbare du flyttar i förhållande till någon i vila, desto större dina längder verkar kontraheras, medan mer tid verkar vidgas för omvärlden., Den här bilden, av relativistisk mekanik, ersatte den gamla newtonska utsikten över klassisk mekanik, men bär också enorma konsekvenser för teorier som inte är relativistiskt invarianta, som newtonska gravitationen.
Curt Renshaw
enligt Einstein finns det ett stort problem, begreppsmässigt, med Newtons gravitationslag: avståndet mellan två objekt är inte en absolut kvantitet, utan är snarare beroende av observatörens rörelse., Om du rör dig mot eller bort från någon imaginär linje du ritar, kommer avstånd i den riktningen att komma i kontakt, beroende på dina relativa hastigheter. För att gravitationskraften ska vara en beräknad kvantitet måste alla observatörer härleda konsekventa resultat, något som du inte kan få genom att kombinera relativitet med Newtons gravitationskraftslag.
därför, enligt Einstein, skulle du behöva utveckla en teori som förde gravitation och relativistiska rörelser tillsammans, och det innebar att utveckla allmän relativitet: en relativistisk rörelseteori som införlivade gravitation i den., En gång klar, allmänna relativitet berättade en dramatiskt annorlunda historia.
en animerad titt på hur spacetime svarar som en massa rör sig genom det hjälper visa upp exakt hur,… kvalitativt är det inte bara ett tygduk, men allt utrymme i sig blir krökt av materiens närvaro och egenskaper och energi inom universum. Observera att rymdtid endast kan beskrivas om vi inte bara inkluderar positionen för det massiva objektet, men där den massan ligger under hela tiden., Både ögonblicklig plats och den tidigare historien om var det objektet var beläget bestämmer de krafter som upplevs av objekt som rör sig genom universum.
LucasVB
För att få olika observatörer att komma överens om hur gravitation fungerar kan det inte finnas något sådant som absolut utrymme, absolut tid eller en signal som sprids med oändlig hastighet., I stället måste både utrymme och tid vara relativt för olika observatörer, och signaler kan endast spridas vid hastigheter som exakt motsvarar ljusets hastighet (om den förökande partikeln är masslös) eller vid hastigheter som ligger under ljusets hastighet (om partikeln har massa).
för att detta ska fungera måste det dock finnas en ytterligare effekt för att avbryta problemet med en icke-noll tangentiell acceleration, som induceras av en ändlig gravitationshastighet., Detta fenomen, som kallas gravitations aberration, avbryts nästan exakt av det faktum att allmän relativitet också har hastighetsberoende interaktioner. När jorden rör sig genom rymden, till exempel, det känns kraften från solen förändras när den ändrar sin position, på samma sätt som en båt som reser genom havet kommer ner i en annan position som det lyfts upp och sänks igen genom en passande våg.
gravitationsstrålning avges när en massa kretsar en annan, vilket innebär att under lång tid… tillräckligt med tidsskalor, banor kommer att förfalla., Innan det första svarta hålet någonsin avdunstar, kommer jorden att spira in i vad som än är kvar av solen, förutsatt att inget annat har utstött det tidigare. Jorden lockas till där solen var ungefär 8 minuter sedan, inte till var den är idag.
American Physical Society
vad som är anmärkningsvärt, och inte på något sätt uppenbart, är att dessa två effekter avbryter nästan exakt., Det faktum att gravitationshastigheten är ändlig är det som inducerar denna gravitations aberration, men det faktum att allmän relativitet (till skillnad från newtonisk gravitation) har hastighetsberoende interaktioner är det som gjorde det möjligt för newtonska gravitationen att vara en så bra approximation. Det finns bara en hastighet som fungerar för att göra denna avbokning en bra: om gravitationshastigheten är lika med ljusets hastighet.
så det är den teoretiska motivationen för varför gravitationshastigheten ska motsvara ljusets hastighet., Om du vill att planetariska banor ska överensstämma med vad vi har sett, och vara konsekventa för alla observatörer, behöver du en gravitationshastighet som är lika med c, och att din teori ska vara relativistiskt invariant. Det finns dock en annan varning. I allmänhet relativitet är avbokningen mellan gravitationsavvikelsen och den hastighetsberoende termen nästan exakt, men inte riktigt. Endast rätt system kan avslöja skillnaden mellan Einsteins och Newtons förutsägelser.,
När en massa rör sig genom ett område med krökt utrymme, kommer det att uppleva en acceleration på grund av… krökt utrymme det bebor. Det upplever också en ytterligare effekt på grund av dess hastighet när den rör sig genom en region där den rumsliga krökningen ständigt förändras. Dessa två effekter, när de kombineras, resulterar i en liten, liten skillnad från förutsägelserna av Newtons gravitation.,
David Champion, Max Planck Institute for Radio Astronomy
i vårt eget grannskap är kraften i solens gravitation alldeles för svag för att producera en mätbar effekt. Vad du vill ha är ett system som hade stora gravitationsfält på små avstånd från en massiv källa, där hastigheten hos det rörliga objektet är både snabb och förändras (accelererande) snabbt, i ett gravitationsfält med en stor gradient.
vår sol ger oss inte det, men miljön runt antingen ett binärt svart hål eller en binär neutronstjärna gör det!, Helst kommer ett system med ett massivt objekt som rör sig med en föränderlig hastighet genom ett föränderligt gravitationsfält att visa upp denna effekt. Och ett binärt neutronstjärnsystem, där en av neutronstjärnorna är en mycket exakt pulsar, passar exakt räkningen.
När du har ett enda objekt, som en pulsar, som kretsar i rymden, kommer det att pulsera varje gång det… fullbordar en 360 graders rotation till en fortuitously aligned observer., Om du placerar den pulsar i ett binärt system med ett annat tätt, massivt objekt, kommer det att röra sig snabbt genom det utrymmet och uppvisa både effekterna av gravitations aberration och hastighetsberoende interaktioner, och deras oupphörliga avbokning gör det möjligt för forskare att urskilja de relativistiska förutsägelserna för detta system från de newtonska.
ESO/L. Calçada
en pulsar, och i synnerhet en millisekund pulsar, är den bästa naturliga klockan i universum., När neutronstjärnan snurrar, avger den en stråle av elektromagnetisk strålning som har en chans att anpassas till jordens perspektiv en gång varje 360 graders rotation. Om inriktningen är rätt, kommer vi att observera dessa pulser anländer med utomordentligt förutsägbar noggrannhet och precision.
om pulsaren är i ett binärt system, kommer det att leda till utsläpp av gravitationsvågor som transporterar energi bort från gravitationssystemet. Förlusten av den energin måste komma från någonstans, och kompenseras av sönderfallet av pulsars banor., Förutsägelserna av pulsar decay är mycket känsliga för gravitationshastigheten; med hjälp av även det allra första binära pulsarsystemet som någonsin upptäckts av sig själv, PSR 1913+16 (eller Hulse-Taylor binary), tillät oss att begränsa gravitationshastigheten för att vara lika med ljusets hastighet till inom endast 0,2%!
hastigheten för orbitalförfall av en binär pulsar är starkt beroende av gravitationshastigheten och den… orbitalparametrar i det binära systemet. Vi har använt binära pulsar data för att begränsa gravitationshastigheten för att vara lika med ljusets hastighet till en precision av 99.,8%, och för att dra slutsatsen att det finns gravitationsvågor årtionden innan LIGO och Virgo upptäckte dem. Den direkta upptäckten av gravitationsvågor var dock en viktig del av den vetenskapliga processen, och förekomsten av gravitationsvågor skulle fortfarande vara i tvivel utan det.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer (R)
sedan dess har andra mätningar också visat ekvivalensen mellan ljusets hastighet och gravitationshastigheten., Under 2002 chans tillfällighet orsakade Jorden, Jupiter, och en mycket stark radio quasar (känd som QSO J0842+1835) att alla justera. När Jupiter passerade mellan jorden och kvasaren, orsakade dess gravitationseffekter stjärnljuset att böja på ett sätt som var gravitationsberoende.,
Jupiter böjde faktiskt ljuset från kvasaren, vilket gjorde det möjligt för oss att utesluta en oändlig hastighet för gravitationshastigheten och bestämma att det faktiskt var mellan 255 miljoner och 381 miljoner meter per sekund, vilket överensstämde med det exakta värdet för ljusets hastighet (299,792,458 m/s) och även med Einsteins förutsägelser. Ännu mer nyligen gav de första observationerna av gravitationsvågor oss ännu hårdare begränsningar.
Illustration av en snabb gammablixt, som länge tros uppstå vid sammanslagningen av neutronstjärnor. Den…, Gas-rika miljö som omger dem kan fördröja ankomsten av signalen, förklarar den observerade 1.7 andra skillnaden mellan ankomster av gravitations-och elektromagnetiska signaturer. Detta är det bästa beviset vi har, observationellt, att gravitationshastigheten måste motsvara ljusets hastighet.,
ESO
från den allra första gravitationsvågen som upptäckts och skillnaden i deras ankomsttider vid Hanford, WA och Livingston, LA, lärde vi oss direkt att gravitationens hastighet motsvarade ljusets hastighet inom ca 70%, vilket inte är en förbättring jämfört med pulsar-tidsbegränsningarna. Men när 2017 såg ankomsten av både gravitationsvågor och ljus från en neutronstjärna-neutronstjärna sammanslagning, det faktum att gammastrålsignaler kom bara 1.,7 sekunder efter gravitationsvågssignalen, över en resa på över 100 miljoner ljusår, lärde oss att ljusets hastighet och gravitationshastigheten skiljer sig med högst 1 del i en quadrillion: 1015.
så länge gravitationsvågor och fotoner inte har någon vilomassa, dikterar fysikens lagar att de måste röra sig med exakt samma hastighet: ljusets hastighet, vilket måste motsvara gravitationshastigheten., Redan innan begränsningarna fick denna spektakulära, kräver att en gravitationsteori reproducera newtoniska banor samtidigt vara relativistiskt invariant leder till denna oundvikliga slutsats. Gravitationshastigheten är exakt ljusets hastighet, och fysiken skulle inte ha tillåtit det att vara något annat sätt.