Obecně

Proč se gravitace pohybuje rychlostí světla?

Pokud se podíváte na slunce přes 150 milionůkilometrů prostoru, který odděluje náš svět od nejbližší hvězdy, světlo, které vidíte, v tuto chvíli neukazuje slunce, ale jak to bylo před 8 minutami a 20 sekundami. Je to proto, že světlo se nepohybuje okamžitě (ale rychlostí světla, haha): jeho rychlost je 299 792 458 kilometrů za sekundu (podrobnosti o této neuvěřitelné skutečnosti jsou zde). Je to doba, kdy světlo potřebuje, aby překonalo cestu z fotosféry Slunce na naši planetu. Ale gravitace nemusí nutně fungovat stejným způsobem; Snad, jak Newtonova teorie předpověděla, gravitační síla je okamžitý jev a je pociťována všemi objekty s hmotou ve vesmíru, přes všechny tyto obrovské vesmírné vzdálenosti, současně.

Je to opravdu tak? Pokud by slunce okamžitě zmizelo, země by okamžitě letěla v přímém směru nebo by se mohla otáčet kolem místa slunce ještě dalších 8 minut a 20 sekund? Podle obecné teorie relativity je odpověď blíže druhé možnosti, protože gravitace neurčuje hmotnost, ale zakřivení prostoru, které je určeno součtem veškeré hmoty a energie v ní. Kdyby slunce zmizelo, prostor by nebyl zakřivený, ale plochý, ale tato transformace by nebyla okamžitá. Jelikož časoprostor je tkanina, přechod by byl jakousi „transfuzí“, která by poslala obří vlnky - gravitační vlny - přes vesmír, jako vlnky z kamene hozeného do rybníka.

Rychlost tohoto zvlnění se určuje stejně jakorychlost všeho ostatního v obecné relativitě: jeho energie a hmota. Protože gravitační vlny nemají hmotnost, ale mají omezenou energii, musí se pohybovat rychlostí světla. To znamená, že Země není přitahována k místu, kde je Slunce ve vesmíru, ale k místu, kde to bylo o něco více než před osmi minutami.

Kdyby to byl jediný rozdílTeorie gravitace Einsteina a Newtona, okamžitě bychom dospěli k závěru, že Einstein se mýlil. Orbity planet byly tak dobře studovány a zaznamenávány tak přesně a po dlouhou dobu (od konce 1500s!), Že kdyby gravitace jednoduše přitáhla planety k místu Slunce rychlostí světla, předpokládané pozice planet by příliš neodpovídaly jejich aktuální pozici. Brilantní logika je potřebná k pochopení, že Newtonovy zákony vyžadují neuvěřitelnou gravitační rychlost takové přesnosti, že kdyby to bylo jediné omezení, gravitační rychlost by musela být více než 20 miliard krát rychlejší než rychlost světla.

Ale v GR je další kousek puzzle, kterývelký význam: orbitální rychlost planety, jak se pohybuje kolem slunce. Země se také pohybuje, „kymácí“ se na vlnách gravitace a často ne klesá v místě, kde rostla. Existují dva efekty: rychlost každého objektu ovlivňuje to, jak prožívá gravitační sílu, a mění se v gravitačních polích.

Zvláště zajímavé je ale tozměny v gravitačním poli při konečné gravitační rychlosti a účinky interakcí závislých na rychlosti jsou téměř přesně vyváženy. Je to nepřesnost této rovnováhy, která nám umožňuje experimentálně určit, která teorie odpovídá našemu vesmíru: Newtonovský model „nekonečné rychlosti gravitace“ nebo Einsteinova modelu „gravitační rychlost se rovná rychlosti světla“ Teoreticky víme, že rychlost gravitace by měla odpovídat rychlosti světla. Gravitační síla Slunce je však příliš slabá na měření tohoto účinku. Ve skutečnosti je velmi obtížné ji měnit, protože když se něco pohybuje konstantní rychlostí v konstantním gravitačním poli, neexistuje žádný pozorovaný účinek vůbec. V ideálním případě bychom potřebovali systém, ve kterém se masivní objekt pohybuje s proměnlivou rychlostí přes měnící se gravitační pole. Jinými slovy, potřebujeme systém skládající se z blízké dvojice rotujících pozorovatelných pozůstatků hvězd, z nichž alespoň jeden bude neutron.

Jak rotují neutronové hvězdy, onipulzující a tyto impulsy jsou viditelné pro nás na Zemi, kdykoliv pól neutronové hvězdy prochází naší viditelností. Předpovědi Einsteinovy ​​teorie gravitace jsou neuvěřitelně citlivé na rychlost světla, takže od první detekce binárního systému pulzarů v 80. letech, PSR1913 + 16 (Hals-Taylor), jsme snížili rychlost gravitace na stejnou rychlost světla s chybou měření pouze 0,2 %

To je samozřejmě nepřímý rozměr. V roce 2002 jsme byli schopni provést nepřímé měření jiného typu, kdy v důsledku shody okolností, Země, Jupiteru a velmi silného rádiového kvazaru (QSO J0842 + 1835) postavili na jednu linii pohledu. Jak se Jupiter pohybuje mezi Zemí a kvazarem, Jupiterovo gravitační zakřivení nám umožňuje měřit rychlost gravitace, eliminovat nekonečnou rychlost a určit, že je někde mezi 2,55 x 108 a 3,81 x 108 metrů za sekundu, což je plně v souladu s Einsteinem .

V ideálním případě bychom mohli měřit rychlost tohoto zvlněnípřímo přímou detekcí gravitačních vln. LIGO našel první na konci. Bohužel, vzhledem k naší neschopnosti řádně triangulovat místo narození těchto vln, nevíme, ze které strany přišli. Výpočet vzdálenosti mezi dvěma nezávislými detektory (ve Washingtonu a Louisianě) a změřením rozdílu v době příjezdu signálu můžeme určit, že rychlost gravitace odpovídá rychlosti světla a určují nejpřísnější rychlostní limity.

Nejtěžší omezení nám však dávajínepřímé měření z velmi vzácných pulsarových systémů. Dosud nejlepší výsledky nám říkají, že rychlost gravitace je mezi 2,993 x 108 a 3,003 x 108 metrů za sekundu, což dokonale potvrzuje GR a má hrozné účinky na alternativní teorie gravitace (promiň, Newton).