لماذا تتحرك الجاذبية بسرعة الضوء؟

إذا نظرت إلى الشمس من خلال 150 مليونكيلومترات من المساحة تفصل عالمنا عن أقرب نجم ، لا يظهر الضوء الذي تراه الشمس في الوقت الحالي ، ولكن كيف كان الحال منذ 8 دقائق و 20 ثانية. وذلك لأن الضوء لا يتحرك على الفور (ولكن بسرعة الضوء ، هاها): تبلغ سرعته 299،792.458 كيلومتر في الثانية (تفاصيل هذه الحقيقة المذهلة موجودة هنا). إنه وقت يحتاج فيه الضوء للتغلب على المسار من الغلاف الضوئي للشمس إلى كوكبنا. لكن الجاذبية لا تحتاج بالضرورة إلى التصرف بنفس الطريقة ؛ ربما ، كما تنبأت نظرية نيوتن ، فإن قوة الجاذبية هي ظاهرة لحظية وتشعر بها جميع الكائنات ذات الكتلة في الكون ، من خلال كل هذه المسافات الكونية الهائلة ، في وقت واحد.

هل هذا هو الحال بالفعل؟ إذا اختفت الشمس على الفور ، فهل تطير الأرض على الفور في خط مستقيم أم ستستمر في الدوران حول موقع الشمس لمدة 8 دقائق و 20 ثانية؟ وفقًا للنظرية العامة للنسبية ، فإن الجواب أقرب إلى الخيار الثاني ، لأنه ليس الكتلة هي التي تحدد الجاذبية ، ولكن انحناء الفضاء ، الذي يتحدد بمجموع كل المادة والطاقة فيه. إذا اختفت الشمس ، فلن تكون المساحة منحنية ، ولكن مسطحة ، لكن هذا التحول لن يكون فوريًا. بما أن الزمان هو نسيج ، فإن الانتقال سيكون بمثابة "نقل دم" يرسل تموجات عملاقة - موجات الجاذبية - عبر الكون ، مثل التموجات من حجر ألقيت في البركة.

يتم تحديد سرعة هذا التموج بنفس الطريقةسرعة كل شيء آخر في النسبية العامة: الطاقة والكتلة. بما أن موجات الجاذبية لا تملك كتلة ، ولكن لديها طاقة محدودة ، يجب أن تتحرك بسرعة الضوء. وهذا يعني أن الأرض تنجذب ليس إلى المكان الذي توجد فيه الشمس في الفضاء ، ولكن إلى المكان الذي كان قبل أكثر من ثماني دقائق بقليل.

لو كان الفرق الوحيد بيننظريات الجاذبية التي وضعها آينشتاين ونيوتن ، استنتجنا على الفور أن آينشتاين كان مخطئًا. تمت دراسة مدارات الكواكب جيدًا وتسجيلها بدقة ولفترة طويلة (من أواخر القرن الخامس عشر الميلادي!). فإذا كانت الجاذبية قد اجتذبت الكواكب إلى مكان الشمس بسرعة الضوء ، فلن تتوافق المواقع المتوقعة للكواكب مع موقعها الحالي. هناك حاجة إلى منطق لامع لفهم أن قوانين نيوتن تتطلب سرعة ثقل لا تصدق من هذه الدقة لدرجة أنه إذا كان القيد الوحيد ، فإن سرعة الجاذبية يجب أن تكون أسرع من سرعة الضوء بأكثر من 20 مليار مرة.

ولكن في GR هناك قطعة أخرى من اللغز ، والتيذو أهمية كبيرة: السرعة المدارية للكوكب وهو يتحرك حول الشمس. الأرض ، على سبيل المثال ، تتحرك أيضًا ، "متأرجحة" على موجات الجاذبية وغالبًا ما تنخفض ليس في المكان الذي كانت ترتفع فيه. هناك نوعان من التأثيرات: تؤثر سرعة كل كائن على كيفية تعامله مع قوة الجاذبية ، وتغيرها في حقول الجاذبية.

ولكن ما يثير الاهتمام بشكل خاص هو ذلكالتغيرات في مجال الجاذبية بسرعة الجاذبية المحدودة وتأثيرات التفاعلات المعتمدة على السرعة تكون متوازنة تقريبًا. إن عدم دقة هذا التوازن هو الذي يسمح لنا بتحديد التجربة النظرية التي تتوافق مع كوننا: النموذج النيوتوني "لسرعة الجاذبية اللانهائية" أو نموذج آينشتاين "سرعة الجاذبية تساوي سرعة الضوء". من الناحية النظرية ، نعلم أن سرعة الجاذبية يجب أن تتوافق مع سرعة الضوء. لكن قوة الجاذبية للشمس ضعيفة جدا لقياس هذا التأثير. في الواقع ، من الصعب للغاية تغييره ، لأنه عندما يتحرك شيء بسرعة ثابتة في مجال الجاذبية الثابت ، لا يوجد أي تأثير ملحوظ على الإطلاق. من الناحية المثالية ، نحتاج إلى نظام يتحرك فيه جسم ضخم بسرعات متفاوتة خلال حقل جاذبية متفاوت. بمعنى آخر ، نحتاج إلى نظام يتكون من زوج متقارب من بقايا النجوم القابلة للملاحظة ، واحد منها على الأقل سيكون نيوترون.

كما تدور النجوم النيوترونية ، فإنهاالنبض وهذه النبضات مرئية لنا على الأرض عندما يمر قطب نجم نيوتروني عبر خط نظرنا. تنبؤات نظرية الجاذبية لآينشتاين حساسة بشكل لا يصدق لسرعة الضوء ، لذلك منذ الكشف الأول عن نظام ثنائي من النجوم النابضة في الثمانينات ، PSR1913 + 16 (هالس تايلور) ، قللنا من سرعة الجاذبية إلى سرعة متساوية من الضوء مع خطأ قياس قدره 0.2 فقط ٪.

بالطبع ، هذا بعد غير مباشر. تمكنا من إجراء قياس غير مباشر لنوع آخر في عام 2002 ، عندما اصطدمت بالأرض ، كوكب المشتري ، وكوازار راديو قوي للغاية (QSO J0842 + 1835) في خط واحد من البصر. وبينما يتحرك كوكب المشتري بين الأرض والكوازار ، يتيح لنا انحناء كوكب المشتري الثقيل قياس سرعة الجاذبية ، والقضاء على السرعة اللانهائية ، وتحديد ما بين 2.55 × 108 و 3.81 × 108 متر في الثانية ، وهو ما يتفق تمامًا مع تنبؤات أينشتاين .

من الناحية المثالية ، يمكننا قياس سرعة هذا التموجمباشرة عن طريق الكشف المباشر عن موجات الجاذبية. وجدت LIGO أول واحد في النهاية. لسوء الحظ ، نظرًا لعدم قدرتنا على تثليث مكان ميلاد هذه الأمواج بشكل صحيح ، فإننا لا نعرف الجانب الذي أتوا منه. من خلال حساب المسافة بين كاشفين مستقلين (في واشنطن ولويزيانا) وقياس الفرق في وقت وصول الإشارة ، يمكننا تحديد أن سرعة الجاذبية تتوافق مع سرعة الضوء وتحديد أقصى حدود السرعة.

ومع ذلك ، فإن أشد القيود تعطيناقياسات غير مباشرة من النظم النابضة النادرة جدا. تخبرنا أفضل النتائج حتى الآن أن سرعة الجاذبية تتراوح بين 2.993 × 108 و 3.003 × 108 متر في الثانية ، مما يؤكد تمامًا الموارد الوراثية وله تأثير رهيب على نظريات الجاذبية البديلة (آسف ، نيوتن).