General

Чому гравітація рухається зі швидкістю світла?

Якщо подивитися на Сонце через 150 мільйонівкілометрів космосу, який розділяє наш світ від найближчої зірки, світло, який ви бачите, не показує Сонце на поточний момент, а яким воно було 8 хвилин і 20 секунд тому. Це тому що світло рухається не миттєво (а зі швидкістю світла, хаха): його швидкість складає 299 792,458 кілометра в секунду (подробиці цього неймовірного факту тут). Саме такий час потрібно світла, щоб подолати шлях від фотосфери Сонця до нашої планети. Але силі тяжіння не обов'язково потрібно вести себе так само; можливо, як передбачала теорія Ньютона, гравітаційна сила є миттєве явище і відчувається усіма об'єктами з масою у Всесвіті, через всі ці величезні космічні відстані, одночасно.

Чи так це насправді? Якщо Сонце б миттєво зникло, полетіла б Земля відразу ж по прямій лінії або ж продовжила обертатися навколо місця розташування Сонця протягом ще 8 хвилин і 20 секунд? Із загальної теорії відносності, відповідь ближче до другого варіанту, оскільки не маса визначає гравітацію, а викривлення простору, яке визначається сумою всієї матерії та енергії в ньому. Якби Сонце зникло, простір стало б не викривленим, а плоским, але ця трансформація була б не миттєвою. Оскільки простір-час - це тканина, перехід став би таким собі «переливанням», яке відправило б гігантську брижі - гравітаційні хвилі - через Всесвіт, подібну ряби від кинутого в ставок каменю.

Швидкість цієї ряби визначається так само, як ішвидкість всього іншого в ОТО: її енергією і масою. Оскільки гравітаційні хвилі не мають масу, але мають кінцеву енергію, вони повинні рухатися зі швидкістю світла. А це означає, що Земля притягується ні до того місця, де знаходиться в просторі Сонце, а до того, де воно було трохи більше восьми хвилин назад.

Якби це була єдина різниця міжтеоріями гравітації Ейнштейна і Ньютона, ми негайно уклали б, що Ейнштейн помилявся. Орбіти планет так добре вивчені і так точно і довго записувалися (з кінця 1500-х!), Що якби гравітація просто притягувала планети до місця Сонця зі швидкістю світла, передбачені положення планет сильно не відповідали б їх актуального стану. Необхідна блискуча логіка, щоб зрозуміти, що закони Ньютона вимагають неймовірної швидкості гравітації такої точності, що якби це було єдине обмеження, швидкість гравітації повинна була б бути більше ніж в 20 мільярдів разів швидше за швидкість світла.

Але в ОТО є ще один шматок головоломки, якиймає велике значення: орбітальна швидкість планети в міру її руху навколо Сонця. Земля, наприклад, теж рухається, «похитуючись» на хвилях гравітації і часто опускаючись не там, де піднімалася. У наявності два ефекту: швидкість кожного об'єкта впливає на те, як він відчуває силу гравітації, а з нею і зміни в гравітаційних полях.

Але що особливо цікаво, так це те, щозміни в гравітаційному полі при кінцевої швидкості гравітації і ефекти залежних від швидкості взаємодій майже точно врівноважуються. Саме неточність цієї рівноваги дозволяє нам визначити експериментально, яка теорія відповідає нашому Всесвіті: ньютонова модель «нескінченної швидкості гравітації» або ейнштейнова модель «швидкість гравітації дорівнює швидкості світла». У теорії, ми знаємо, що швидкість гравітації повинна відповідати швидкості світла. Але гравітаційна сила Сонця занадто слабка, щоб виміряти цей ефект. Насправді, змінити його дуже складно, оскільки коли щось рухається з постійною швидкістю в постійному гравітаційному полі, ніякого спостережуваного ефекту немає зовсім. В ідеалі, нам потрібна була б система, в якій масивний об'єкт рухається зі змінною швидкість через мінливий гравітаційне поле. Іншими словами, нам потрібна система, що складається з тісної пари обертових спостережуваних останків зірок, хоча б одна з яких буде нейтронної.

У міру обертання нейтронних зірок, вонипульсують, і ці імпульси видно нам на Землі щоразу, коли полюс нейтронної зірки проходить через нашу лінію візування. Передбачення теорії гравітації Ейнштейна неймовірно чутливі до швидкості світла, так що з самого першого виявлення бінарної системи пульсарів в 1980-х роках, PSR1913 + 16 (Халса-Тейлора), ми звели швидкість гравітації до рівної швидкості світла з похибкою вимірювання всього в 0,2 %.

Звичайно, це непряме вимірювання. Ми змогли здійснити непряме вимірювання іншого типу в 2002 році, коли в результаті випадкового збігу Земля, Юпітер і дуже потужний радіоквазар (QSO J0842 + 1835) вишикувалися на одну лінію візування. У міру руху Юпітера між Землею і квазаром, гравітаційне викривлення Юпітера дозволило нам виміряти швидкість гравітації, виключити нескінченну швидкість і визначити, що вона десь між 2,55 х 108 і 3,81 х 108 метрів в секунду, що повністю відповідає прогнозам Ейнштейна .

В ідеалі, ми могли б виміряти швидкість цієї рябибезпосередньо за рахунок прямого виявлення гравітаційних хвиль. LIGO знайшла першу таку, в кінці кінців. На жаль, через нашу нездатність правильно тріангуліровать місце народження цих хвиль, ми не знаємо, з якого боку вони прийшли. Розрахувавши дистанцію між двома незалежними детекторами (в Вашингтоні і Луїзіані) і вимірявши різницю в часі прибуття сигналу, ми можемо визначити, що швидкість гравітації відповідає швидкості світла і визначити найжорсткіші обмеження по швидкості.

Проте, найжорсткіші обмеження дають намнепрямі вимірювання від дуже рідкісних систем пульсарів. Кращі результати на даний момент говорять нам, що швидкість гравітації між 2,993 х 108 і 3,003 х 108 метрів в секунду, що прекрасно підтверджує ОТО і жахливо позначається на альтернативних теоріях гравітації (прости, Ньютон).