Γιατί η βαρύτητα κινείται με την ταχύτητα του φωτός;

Αν κοιτάξετε τον ήλιο μέσα από 150 εκατομμύριαχιλιόμετρα χώρου που χωρίζει τον κόσμο μας από το πλησιέστερο αστέρι, το φως που βλέπετε δεν δείχνει τον ήλιο αυτή τη στιγμή, αλλά πώς ήταν πριν από 8 λεπτά και 20 δευτερόλεπτα. Αυτό συμβαίνει επειδή το φως δεν κινείται άμεσα (αλλά με την ταχύτητα του φωτός, haha): η ταχύτητά του είναι 299.792.458 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο (οι λεπτομέρειες αυτού του απίστευτου γεγονότος είναι εδώ). Είναι ένας τέτοιος χρόνος που χρειάζεται το φως για να ξεπεράσουμε το μονοπάτι από τη φωτόσφαιρα του Ήλιου στον πλανήτη μας. Αλλά η βαρύτητα δεν χρειάζεται απαραίτητα να συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο. Ίσως, όπως πρόβλεπε η θεωρία του Νεύτωνα, η βαρυτική δύναμη είναι ένα στιγμιαίο φαινόμενο και αισθάνεται ταυτόχρονα από όλα τα αντικείμενα με μάζα στο Σύμπαν, μέσα από όλες αυτές τις τεράστιες κοσμικές αποστάσεις.

Αυτό συμβαίνει πραγματικά; Αν ο ήλιος εξαφανιστεί αμέσως, θα έρθει η γη αμέσως σε μια ευθεία γραμμή ή θα συνεχίσει να περιστρέφεται γύρω από τη θέση του ήλιου για άλλα 8 λεπτά και 20 δευτερόλεπτα; Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η απάντηση είναι πιο κοντά στη δεύτερη επιλογή, αφού δεν είναι η μάζα που καθορίζει τη βαρύτητα, αλλά την καμπυλότητα του χώρου, η οποία καθορίζεται από το άθροισμα όλων των υλικών και της ενέργειας μέσα σε αυτήν. Αν ο ήλιος εξαφανιστεί, ο χώρος δεν θα ήταν καμπύλος αλλά επίπεδης, αλλά αυτή η μεταμόρφωση δεν θα ήταν στιγμιαία. Δεδομένου ότι ο χώρος είναι ένα ύφασμα, η μετάβαση θα ήταν ένα είδος «μετάγγισης» που θα έδινε γιγαντιαίες κυματιστές - κύματα βαρύτητας - σε όλο το Σύμπαν, όπως οι κυματισμοί από μια πέτρα που ρίχτηκε σε μια λίμνη.

Η ταχύτητα αυτής της κυμάτωσης προσδιορίζεται με τον ίδιο τρόπο όπωςη ταχύτητα όλων των άλλων στη γενική σχετικότητα: η ενέργεια και η μάζα του. Δεδομένου ότι τα κύματα της βαρύτητας δεν έχουν μάζα, αλλά έχουν πεπερασμένη ενέργεια, πρέπει να κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Και αυτό σημαίνει ότι η Γη προσελκύεται όχι στον τόπο όπου ο Ήλιος βρίσκεται στο διάστημα, αλλά και εκεί που ήταν λίγο παραπάνω από οκτώ λεπτά.

Αν ήταν η μόνη διαφορά μεταξύθεωρίες της βαρύτητας από τον Αϊνστάιν και τον Νεύτωνα, θα καταλήγαμε αμέσως στο συμπέρασμα ότι ο Αϊνστάιν ήταν λάθος. Οι τροχιές των πλανητών μελετήθηκαν και καταγράφηκαν τόσο πολύ με ακρίβεια και για μεγάλο χρονικό διάστημα (από τα τέλη της δεκαετίας του 1500!). Αν η βαρύτητα απλά προσελκύσει τους πλανήτες στον τόπο του Ήλιου με την ταχύτητα του φωτός, οι προβλεπόμενες θέσεις των πλανητών δεν θα αντιστοιχούσαν σε μεγάλο βαθμό στην τρέχουσα θέση τους. Απαιτείται λαμπρή λογική για να κατανοήσουμε ότι οι νόμοι του Νεύτωνα απαιτούν μια απίστευτη ταχύτητα βαρύτητας τέτοιας ακρίβειας ότι αν ήταν ο μόνος περιορισμός, η ταχύτητα βαρύτητας θα έπρεπε να είναι πάνω από 20 δισεκατομμύρια φορές ταχύτερη από την ταχύτητα του φωτός.

Αλλά στο GR υπάρχει ένα άλλο κομμάτι του παζλ, το οποίομεγάλης σημασίας: η τροχιακή ταχύτητα του πλανήτη καθώς κινείται γύρω από τον ήλιο. Η γη, για παράδειγμα, κινούνται, "κινούνται" πάνω στα κύματα της βαρύτητας και συχνά κατεβαίνουν όχι στον τόπο όπου ανέβαινε. Υπάρχουν δύο επιδράσεις: η ταχύτητα κάθε αντικειμένου επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο βιώνει τη δύναμη της βαρύτητας και με αυτό αλλάζει στα βαρυτικά πεδία.

Αλλά αυτό που είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον είναι αυτόοι μεταβολές στο πεδίο βαρύτητας σε μια πεπερασμένη ταχύτητα βαρύτητας και οι επιδράσεις των εξαρτώμενων από την ταχύτητα αλληλεπιδράσεων είναι σχεδόν εξίσου ισορροπημένες. Είναι η ανακρίβεια αυτής της ισορροπίας που μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε πειραματικά ποια θεωρία αντιστοιχεί στο Σύμπαν μας: το Νευτώνεια μοντέλο της "άπειρης ταχύτητας βαρύτητας" ή το μοντέλο του Αϊνστάιν "η ταχύτητα της βαρύτητας είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός". Θεωρητικά, γνωρίζουμε ότι η ταχύτητα της βαρύτητας πρέπει να αντιστοιχεί στην ταχύτητα του φωτός. Αλλά η βαρυτική δύναμη του ήλιου είναι πολύ αδύναμη για να μετρήσει αυτό το αποτέλεσμα. Στην πραγματικότητα, είναι πολύ δύσκολο να το αλλάξει, επειδή όταν κάτι κινείται με σταθερή ταχύτητα σε ένα σταθερό βαρυτικό πεδίο, δεν παρατηρείται καθόλου φαινόμενο. Ιδανικά, θα χρειαζόμασταν ένα σύστημα στο οποίο ένα μαζικό αντικείμενο κινείται με διαφορετική ταχύτητα μέσα από ένα διαφορετικό βαρυτικό πεδίο. Με άλλα λόγια, χρειαζόμαστε ένα σύστημα που να αποτελείται από ένα στενό ζεύγος περιστρεφόμενων παρατηρήσιμων λειψάνων των αστεριών, τουλάχιστον ένα από τα οποία θα είναι νετρόνια.

Καθώς τα αστέρια νετρονίων περιστρέφονται, αυτοίπαλμούς και αυτές οι παρορμήσεις είναι ορατές σε εμάς στη Γη κάθε φορά που ο πόλος ενός άστρου νετρονίων περνά μέσα από τη γραμμή μας. Οι προβλέψεις της θεωρίας της βαρύτητας του Αϊνστάιν είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στην ταχύτητα του φωτός, οπότε από την πρώτη ανίχνευση ενός δυαδικού συστήματος πάλσαρων στη δεκαετία του 1980, PSR1913 + 16 (Hals-Taylor) μειώσαμε την ταχύτητα βαρύτητας σε ίση ταχύτητα φωτός με λάθος μέτρησης μόνο 0.2 %

Φυσικά, αυτή είναι μια έμμεση διάσταση. Ήμασταν σε θέση να κάνουμε μια έμμεση μέτρηση άλλου τύπου το 2002, όταν, ως αποτέλεσμα μιας σύμπτωσης, η Γη, ο Δίας και ένα πολύ ισχυρό ραδιο κβάζαρ (QSO J0842 + 1835) ευθυγραμμίστηκαν σε μία γραμμή όρασης. Καθώς ο Δίας κινείται μεταξύ της Γης και του κβάζαρ, η βαρυτική καμπυλότητα του Δία μας επιτρέπει να μετρήσουμε την ταχύτητα της βαρύτητας, να εξαλείψουμε την άπειρη ταχύτητα και να καθορίσουμε ότι βρίσκεται κάπου μεταξύ 2,55 x 108 και 3,81 x 108 μέτρα ανά δευτερόλεπτο και είναι πλήρως σύμφωνο με τις προβλέψεις του Αϊνστάιν .

Στην ιδανική περίπτωση, θα μπορούσαμε να μετρήσουμε την ταχύτητα αυτής της κυμάτωσηςάμεσα με άμεση ανίχνευση κυμάτων βαρύτητας. Ο LIGO βρήκε στο τέλος το πρώτο. Δυστυχώς, εξαιτίας της αδυναμίας μας να ταξινομήσουμε σωστά τον τόπο γέννησης αυτών των κυμάτων, δεν ξέρουμε από ποια πλευρά προήλθαν. Με τον υπολογισμό της απόστασης μεταξύ δύο ανεξάρτητων ανιχνευτών (στην Ουάσινγκτον και τη Λουιζιάνα) και τη μέτρηση της διαφοράς στο χρόνο άφιξης ενός σήματος, μπορούμε να προσδιορίσουμε ότι η ταχύτητα βάρους αντιστοιχεί στην ταχύτητα του φωτός και καθορίζει τα σοβαρότερα όρια ταχύτητας.

Ωστόσο, μας δίνουν οι πιο αυστηροί περιορισμοίέμμεσες μετρήσεις από πολύ σπάνια συστήματα παλμών. Τα καλύτερα αποτελέσματα μέχρι στιγμής μας λένε ότι η ταχύτητα βάρους κυμαίνεται μεταξύ 2.993 x 108 και 3.003 x 108 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, γεγονός που επιβεβαιώνει απόλυτα την GR και έχει τρομερό αντίκτυπο στις εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας (λυπάμαι, Newton).