Распространяются ли изменения в гравитационном поле мгновенно, со скоростью света или вообще с другой скоростью?
«Единственная проблема со скоростью света в том, что он приходит слишком рано утром». Дэнни Неврат
Один из наиболее частых вопросов, которые мне задают, является ли гравитация мгновенной или существует ли ограничение скорости движения силы тяжести. Это не такой простой вопрос, как кажется на первый взгляд.
Изображение предоставлено NASA / JPL-Caltech, для миссии Кассини.
В конце концов, мы знаем, как быстро распространяется свет, и если бы Солнце внезапно исчезло, мы бы все равно получали от него свет в течение чуть более 8 минут после его исчезновения! Но как насчет гравитации и орбиты Земли? Будет ли Земля просто улетать по прямой линии, как закрученный шар пои в тот момент, когда порвется струна?
Изображение предоставлено Томом Харрисоном из штата Нью-Мексико, http://ganymede.nmsu.edu/tharriso/ast110/class25.html.
Или она продолжит движение по своей планетной орбите в течение некоторого времени и, возможно, испытает более интересные эффекты? Вы не поверите, но это одно из самых серьезных различий между старой школой теории гравитации Ньютона и общей теорией относительности Эйнштейна. Согласно Ньютону, у вас есть две массы, разделенные расстоянием, и это определяет силу. Вы убираете одну из этих масс, и сила уходит. Немедленно. Конец истории.
Изображение предоставлено: Wikimedia Commons, пользователи Jarry1250 и Dna-webmaster.
Но в общей теории относительности все гораздо сложнее и сильно отличается от простой ньютоновской картины, которую вы, вероятно, усвоили в средней школе или колледже.
Во-первых, не масса сама по себе вызывает гравитацию. Скорее, все формы энергии (включая массу) влияют на кривизну пространства. Итак, для Солнца и Земли невероятно большая масса Солнца определяет кривизну пространства, и Земля движется по орбите вдоль этого искривленного пространства, как и все другие тела в Солнечной системе.
Изображение предоставлено Дэвидом Чэмпионом, Институт радиоастрономии Макса Планка.
Если бы вы просто удалили Солнце, заставив его (каким-то образом) перестать существовать, что бы произошло? В общей теории относительности верно, что пространство снова станет плоским, но не сразу в каждой точке. Фактически, точно так же, как поверхность пруда, когда вы что-то бросаете в нее, она снова становится плоской, и всплеск отправляет наружу волны!
Изображение предоставлено: Fraser Parry Photography, через http://www.fraserparryphotography.co.uk/water-photography.php.
В теории гравитации Эйнштейна эта рябь движется со скоростью света, а не мгновенно. Это говорит нам о том, что искажение пространства-времени из-за материи и энергии, а также изменения в этом искажении, должны распространяться со скоростью c, и что скорость гравитации должна быть равна скорости света в вакууме.
Это действительно потрясающая идея, которая заставляет меня задать еще один вопрос. Подумайте об этом: если бы Земля была неподвижной, она бы чувствовала рябь одним способом, но если бы Земля двигалась по поверхности космоса, разве она не чувствовала бы рябь по-другому?
Изображение предоставлено: Марк Гарлик / SPL.
Оказывается, хотя Ньютону все равно, какова ваша скорость, Эйнштейну не все равно. Солнце в том виде, в каком оно есть сейчас, не будет иметь своего гравитационного воздействия на Землю еще 8+ минут, а гравитация, которую Земля ощущает сейчас, притягивает ее к Солнцу, фактически притягивает ее туда, где Солнце было 8+ минут назад! (странно, правда?).
Изменения в гравитации, которые испытывает Земля, связаны с тем, что положения и импульсы всех объектов во Вселенной, включая Солнце, меняются со временем, изменяя кривизну пространства в непосредственной близости от нас.
Изображение предоставлено Американским физическим обществом, через http://www.aip.org/.
Хотите узнать что не так? Если бы это было единственное, что отличалось от ньютоновской гравитации, теория Эйнштейна была бы ошибочной. Предсказания, которые мы получили для планетных орбит, основанные на том, где находились такие объекты, как Солнце и другие планеты 8+ минут назад (или независимо от того, каково было время прохождения света для рассматриваемой планеты), достаточно отличаются от наблюдений. Даже столетие назад эта общая теория относительности была бы сразу определена как ложная. Этот эффект сам по себе требовал, чтобы, если теория Ньютона была верна, скорость гравитации была по крайней мере в 20 миллиардов раз выше скорости света!
Но есть еще один кусочек головоломки.
Земля, поскольку она также движется, как бы «едет» по ряби, движущейся в космосе, так что она опускается не в том месте, в котором поднималась. Похоже, у нас происходит два эффекта: скорость каждого объекта влияет на то, как он испытывает гравитацию, и то же самое происходит с изменениями, происходящими в гравитационных полях.
Изображение предоставлено: Джон Антониадис и др., «Массивный пульсар в компактном релятивистском двоичном пространстве», Science 26 апреля 2013 г .: Vol. 340 нет. 6131.
Что удивительно, так это то, что изменения гравитационного поля за счет конечной скорости гравитации и эффекты зависящих от скорости взаимодействий почти полностью нейтрализуются! Неточность исключения - это то, что позволяет нам с помощью наблюдений определить, соответствует ли модель «бесконечной скорости гравитации» Ньютона или модель «скорость гравитации = скорость света» Эйнштейна нашей Вселенной.
Теоретически мы знаем, что скорость гравитации должна быть такой же, как и скорость света. Но сила притяжения Солнца здесь, с нашей точки зрения, слишком мала, чтобы измерить этот эффект. На самом деле, это становится действительно трудно измерить, потому что если что-то движется с постоянной скоростью в постоянном гравитационном поле, никакого наблюдаемого эффекта не будет. В идеале нам нужна система, в которой объект движется с изменяющейся скоростью через изменяющееся гравитационное поле. Что для этого нужно?
Что-то интенсивное, вроде нейтронной звезды, вращающейся вокруг другого объекта звездной массы, находящегося очень близко! Иногда нам очень везет, и нейтронная звезда излучает очень регулярные вспышки излучения, пульсирующие с невероятной точностью: это делает ее пульсаром!
В очень редких случаях у нас есть две нейтронные звезды, вращающиеся вокруг друг друга! Если одна из этих нейтронных звезд - пульсар, нацеленный на нас, мы можем проверить, движется ли гравитация со скоростью света или нет! Достаточно невероятно, но мы обнаружили несколько двойных пульсаров именно такой конфигурации!
Не только гравитационный источник (звезда №1) движется, но и другой объект (звезда №2) меняет свою скорость, поскольку он меняет свое направление на орбите вокруг гравитационного источника! Примечательно, что этот эффект вызывает очень медленное затухание орбиты, что приводит к временным изменениям импульсов!
Предсказания теории гравитации Эйнштейна невероятно чувствительны к скорости света, настолько, что даже с самой первой двойной системой пульсаров, PSR 1913 + 16 (или двойной системой Халса-Тейлора), мы ограничили скорость гравитации до равенства скорости света с погрешностью измерения всего 0,2%!
Изображение предоставлено: Fomalont et al. (2000), ApJS 131, 95-183, через http://www.jive.nl/svlbi/vlbapls/J0842+1835.htm.
Нам удалось провести более точные измерения в 2002 году, когда по случайному совпадению Земля, Юпитер и очень сильный радиоквазар (QSO J0842 + 1835) оказались на одной прямой! Когда Юпитер перемещался между Землей и квазаром, гравитационное искривление Юпитера позволило нам измерить скорость гравитации, исключив бесконечную скорость и определив, что скорость гравитации составляла от 2,55×10^8 до 3,81×10^8 метров в секунду, что полностью соответствует предсказаниям Эйнштейна.
Оригинал: What is the Speed of Gravity?
Комментариев нет:
Отправить комментарий