Generelt

Hvorfor bevæger tyngdekraften sig ved lysets hastighed?

Hvis du ser på solen gennem 150 millionerkilometer plads, der adskiller vores verden fra nærmeste stjerne, det lys, som du ser, viser ikke solen i øjeblikket, men hvordan det var 8 minutter og 20 sekunder siden. Dette skyldes, at lyset ikke bevæger sig øjeblikkeligt (men ved lysets hastighed, haha): dens hastighed er 299.792.458 kilometer per sekund (detaljerne i dette utrolige faktum er her). Det er sådan en tid, som lyset har brug for for at overvinde stien fra solens fotosfære til vores planet. Men tyngdekraften behøver ikke nødvendigvis at opføre sig på samme måde; Måske, som Newtons teori forudsagde, er tyngdekraft en øjeblikkelig fænomen og føles af alle genstande med en masse i universet gennem alle disse enorme kosmiske afstande samtidigt.

Er dette virkelig tilfældet? Hvis solen ville forsvinde med det samme, ville jorden straks flyve i en lige linje, eller ville den fortsætte med at dreje rundt om solens placering i endnu 8 minutter og 20 sekunder? Ifølge den generelle relativitetsteori er svaret tættere på den anden mulighed, da det ikke er masse, der bestemmer tyngdekraften, men rummets krumning, som bestemmes af summen af ​​alt materie og energi i det. Hvis solen forsvandt, ville rummet ikke være buet, men fladt, men denne transformation ville ikke være øjeblikkelig. Da spacetime er et stof, ville overgangen være en slags "transfusion", der ville sende gigantiske krusninger - tyngdekraftbølger - over hele universet, som krusninger fra en sten smidt i en dam.

Denne ripples hastighed bestemmes på samme måde somHastigheden af ​​alt andet generelt relativitet: dets energi og masse. Da gravitationsbølger ikke har masse, men har en endelig energi, skal de bevæge sig ved lysets hastighed. Og det betyder, at Jorden er tiltrukket ikke til det sted, hvor Solen er i rummet, men hvor den var lidt mere end otte minutter siden.

Hvis det var den eneste forskel mellemgravitationsteorier af Einstein og Newton, ville vi straks konkludere, at Einstein var forkert. Planets baner blev så godt undersøgt og optaget så præcist og i lang tid (fra slutningen af ​​1500'erne!) At hvis gravitation simpelthen tiltrak planeterne til solens sted ved lysets hastighed, ville planlagte forudsigede positioner ikke i høj grad svare til deres nuværende position. Brilliant logik er nødvendig for at forstå, at Newtons love kræver en utrolig gravitationshastighed af en sådan præcision, at hvis det var den eneste begrænsning, skal tyngdekraftshastigheden være mere end 20 milliarder gange hurtigere end lysets hastighed.

Men i GR er der et andet stykke af puslespillet, somaf stor betydning: planetens omdrejningshastighed, da den bevæger sig rundt om solen. Jorden bevæger sig også, "svajer" på tyngdebølgerne og falder ofte på det forkerte sted. Der er to effekter: Hastigheden af ​​hver genstand påvirker, hvordan den oplever tyngdekraften, og med det ændrer sig i gravitationsområder.

Men hvad der er særligt interessant er detændringer i gravitationsfeltet med en endelig gravitationshastighed og virkningerne af hastighedsafhængige interaktioner er næsten nøjagtigt afbalancerede. Det er unøjagtigheden af ​​denne ligevægt, som giver os mulighed for at bestemme eksperimentelt hvilken teori der svarer til vores univers: den newtonske model af "uendelig tyngdekraft" eller Einstein-modellen "tyngdekraften er lig med lysets hastighed". I teorien ved vi, at tyngdekraften skal svare til lysets hastighed. Men solens tyngdekraften er for svag til at måle denne effekt. Faktisk er det meget svært at ændre det, fordi når noget bevæger sig konstant i et konstant gravitationsfelt, er der slet ikke nogen observeret virkning. Ideelt set ville vi have brug for et system, hvor en massiv genstand bevæger sig med varierende hastighed gennem et varierende gravitationsfelt. Med andre ord har vi brug for et system bestående af et tæt par roterende observerbare rester af stjerner, hvoraf mindst en vil være neutron.

Som neutronstjerner roterer, depulserende og disse impulser er synlige for os på jorden, når en neutronstjernes pol går gennem vores synsfelt. Forudsigelser af Einsteins tyngdeorientering er utroligt følsomme over for lysets hastighed, så siden den første opdagelse af et binært system af pulsarer i 1980'erne, PSR1913 + 16 (Hals-Taylor), reducerede vi tyngdekraften til samme lyshastighed med en målefejl på kun 0,2 %.

Dette er selvfølgelig en indirekte dimension. Vi var i stand til at foretage en indirekte måling af en anden type i 2002, da der som et resultat af et tilfælde var jord, jupiter og en meget kraftig radio quasar (QSO J0842 + 1835) lined op på en synsvinkel. Når Jupiter bevæger sig mellem Jorden og Kvasaren, giver Jupiters gravitationskrumning os mulighed for at måle tyngdekraften, eliminere den uendelige hastighed og bestemme, at den er et sted mellem 2,55 x 108 og 3,81 x 108 meter pr. Sekund, hvilket er helt i overensstemmelse med Einsteins forudsigelser .

Ideelt set kunne vi måle hastigheden af ​​denne krusningdirekte ved direkte påvisning af gravitationsbølger. LIGO fandt den første i slutningen. Desværre, på grund af vores manglende evne til korrekt triangulering af disse bølges fødested, ved vi ikke, hvilken side de kom fra. Ved at beregne afstanden mellem to uafhængige detektorer (i Washington og Louisiana) og måle forskellen i ankomsttidspunktet for et signal, kan vi bestemme, at tyngdekraften svarer til lysets hastighed og bestemme de strengeste hastighedsgrænser.

Men de mest alvorlige begrænsninger giver osindirekte målinger fra meget sjældne pulsar systemer. De bedste resultater hidtil fortæller os, at tyngdekraften er mellem 2.993 x 108 og 3.003 x 108 meter pr. Sekund, hvilket perfekt bekræfter GR og har en forfærdelig indvirkning på alternative gravitationsteorier (undskyld Newton).