Là ảnh hưởng của trọng lực tức thời?

Khi tôi học đại học, tôi đã đặt cho giáo sư thiên văn học của mình một thí nghiệm về suy nghĩ đã làm tôi bối rối trong một thời gian: chúng tôi? Phản ứng của anh là lực hấp dẫn là tức thời, không giống như tốc độ ánh sáng, xuất hiện tức thì.

Câu hỏi lớn của tôi là: "Chúng ta có biết nó ngay lập tức không?" Chúng ta không thể di chuyển một vật thể đủ lớn để có ảnh hưởng hấp dẫn đáng chú ý đủ nhanh để đo nếu nó tạo ra (hoặc không tạo ra) một hiện tượng giống như doppler.

Nếu anh ấy sai, làm sao chúng ta biết không phải vậy?

Câu hỏi đầu tiên như đã nêu có một câu trả lời khá tầm thường:

"Nếu mặt trời biến mất một cách kỳ diệu, ngay lập tức, cùng với tất cả các ảnh hưởng của nó , mất bao lâu để lực hấp dẫn của nó ngừng ảnh hưởng đến chúng ta?"

Vì lực hấp dẫn của Mặt trời là một trong những ảnh hưởng của nó, nó sẽ ngay lập tức ngừng ảnh hưởng đến chúng ta. Đó chỉ là một phần của tình huống kỳ diệu, và thậm chí không liên quan đến bất kỳ vật lý nào. Thú vị hơn một chút là câu hỏi không có phần in đậm.

Trong thuyết tương đối rộng, những thay đổi trong trường hấp dẫn lan truyền với tốc độ ánh sáng. Do đó, người ta có thể mong đợi rằng sự biến mất kỳ diệu và tức thời của Mặt trời sẽ không ảnh hưởng đến trái đất trong khoảng tám phút, vì đó là khoảng thời gian ánh sáng từ Mặt trời để đến Trái đất.

Tuy nhiên, điều này bị nhầm lẫn bởi vì sự biến mất tức thời của Mặt trời đã vi phạm thuyết tương đối rộng, vì phương trình trường Einstein thực thi một loại định luật bảo toàn cục bộ đối với tenxơ năng lượng ứng suất tương tự như sự không phân kỳ của từ trường trong điện từ trường: trong bất kỳ khu dân cư nhỏ nào trong không thời gian, không có nguồn năng lượng địa phương hoặc các nguồn năng lượng căng thẳng; nó phải đến từ một nơi nào đó và đi đâu đó Vì sự biến mất tức thời của Mặt trời vi phạm thuyết tương đối rộng, nên việc sử dụng lý thuyết đó để dự đoán những gì xảy ra trong tình huống như vậy là vô nghĩa.

Do đó, lực hấp dẫn của Mặt trời ngay lập tức ngừng mọi tác động lên Trái đất cũng phù hợp với thuyết tương đối rộng như có bất kỳ loại thời gian trễ nào. Hay nói chính xác hơn, nó không còn mâu thuẫn nữa.

Câu hỏi lớn của tôi, bây giờ, là: "Làm thế nào để chúng ta biết nó ngay lập tức?"

Nó không phải là ngay lập tức, nhưng nó có thể xuất hiện theo cách đó.

Chúng ta không thể di chuyển một vật đủ lớn để có ảnh hưởng hấp dẫn đáng chú ý đủ nhanh để đo nếu nó tạo ra (hoặc không tạo ra) một hiện tượng giống như doppler.

Chúng ta không phải: động lực của hệ mặt trời đủ nhanh. Một tính toán đơn giản do Laplace vào đầu thế kỷ XIX đã kết luận rằng nếu trọng lực bị quang sai, quỹ đạo của Trái đất sẽ đâm vào Mặt trời theo quy mô thời gian khoảng bốn thế kỷ. Do đó, trọng lực không làm giảm đáng kể - các phân tích cẩn thận hơn đã kết luận rằng trong khung Newton, tốc độ của trọng lực phải lớn hơn tốc độ ánh sáng phù hợp với sự thiếu quang sai quan sát được.$2\times10^{10}$

Điều này có vẻ hơi khó hiểu với cách nó phù hợp với tuyên bố của thuyết tương đối rộng rằng những thay đổi trong trường hấp dẫn lan truyền với tốc độ ánh sáng, nhưng thực tế nó không phải là đặc biệt. Tương tự như vậy, điện trường của một điện tích chuyển động đều được hướng vào vị trí tức thời của điện tích - không phải là nơi mà điện tích được sử dụng, như người ta có thể mong đợi từ tốc độ trễ của ánh sáng. Điều này không có nghĩa là điện từ lan truyền tức thời - nếu bạn lắc điện tích, thông tin đó sẽ bị giới hạn bởi , vì trường điện từ thay đổi để đáp ứng với hành động của bạn. Thay vào đó, nó chỉ là một cái gì đó đúng cho việc di chuyển đồng đều$c$điện tích: điện trường "dự đoán" nơi thay đổi sẽ xảy ra nếu không có ảnh hưởng nào đến nó. Nếu tốc độ điện tích thay đổi đủ chậm, nó sẽ trông giống như điện từ là tức thời, mặc dù thực sự không phải vậy.

Trọng lực làm điều này thậm chí còn tốt hơn: trường hấp dẫn của một khối gia tốc đồng đều hướng về vị trí hiện tại của nó. Do đó, trọng lực "dự đoán" nơi khối lượng sẽ không chỉ dựa vào vận tốc hiện tại mà còn cả gia tốc. Do đó, nếu các điều kiện sao cho gia tốc của các vật hấp dẫn thay đổi chậm (như trường hợp trong hệ mặt trời), trọng lực sẽ trông như tức thời. Nhưng điều này chỉ gần đúng nếu gia tốc thay đổi chậm - đó chỉ là một xấp xỉ rất tốt trong các điều kiện của hệ mặt trời. Rốt cuộc, trọng lực Newton hoạt động tốt.

Một phân tích chi tiết về điều này có thể được tìm thấy trong Aberration của Steve Carlip và Tốc độ của lực hấp dẫn , Phys.Lett.A 267 : 81-87 (2000) [arXiV: gr-qc / 9909087 ].

Nếu anh ấy sai, làm sao chúng ta biết không phải vậy?

Chúng tôi có rất nhiều bằng chứng cho thuyết tương đối rộng, nhưng bằng chứng tốt nhất hiện nay cho thấy bức xạ hấp dẫn hành xử như GTR nói rằng đó là nhị phân Hulse-Taylor . Tuy nhiên, chưa có quan sát trực tiếp về bức xạ hấp dẫn. Cũng có thể tìm thấy mối liên hệ giữa mức độ triệt tiêu rõ rệt của các hiệu ứng phụ thuộc vận tốc trong cả điện từ và lực hấp dẫn, bao gồm cả mối liên hệ với bản chất lưỡng cực của bức xạ EM và tính chất bốn cực của bức xạ hấp dẫn, trong bài báo của Carlip.

Thật ra, lực hấp dẫn "tức thời" là một phần của thuyết hấp dẫn của Newton. Hiện tại người ta hiểu rằng "tốc độ của trọng lực" bằng tốc độ ánh sáng theo thuyết tương đối rộng. http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_gravity

Điều này rõ ràng gần đây đã được xác nhận và được mô tả chi tiết hơn ở đây: https://medium.com/starts-with-a-bang/what-is-the-speed-of-gravity-8ada2eb08430#.kgnvcvxo2

Cập nhật 2018: Câu trả lời của @Stan Liou là tuyệt vời, nhưng kể từ khi anh ấy viết câu trả lời đó, chúng tôi đã đo chính xác tốc độ của sóng hấp dẫn và xác nhận độ chính xác rất cao rằng đó là tốc độ ánh sáng trong chân không.

Vào tháng 8 năm 2017, LIGO đã quan sát GW170817, một người truyền cảm hứng sao neutron. Các đài quan sát tia X trên quỹ đạo đã phát hiện ra tia X từ vụ va chạm với chênh lệch tối đa 2 giây về thời gian di chuyển, do đó tốc độ ánh sáng == tốc độ hấp dẫn được xác nhận. Đây là một bản tóm tắt tốt về kết quả.

Không ai trong chúng ta sẽ biết rằng Mặt trời đã thực sự biến mất cho đến khi thời điểm gần tám phút trôi qua. Vào thời điểm đó, tất cả chúng ta sẽ rất nhanh la hét và hoảng loạn trước bóng tối tuyệt đối và toàn diện, thứ sẽ đột nhiên thay thế tất cả ánh sáng ban ngày bình thường. Những mối quan tâm về lực hấp dẫn sẽ là mối lo lắng tối thiểu của chúng tôi, tôi nghĩ vậy.

Nếu nó xảy ra vào ban đêm, những người trong chúng ta trong ánh sáng nhân tạo sẽ nhanh chóng thoát khỏi sự ngạc nhiên. Những người bên ngoài có thể tự hỏi tại sao Mặt trăng đột nhiên nháy mắt ... khi đôi mắt đã quen với bóng tối hoàn toàn, những ngôi sao trên các khu vực rõ ràng trên bầu trời sẽ là tất cả những gì có thể nhìn thấy, ở bất cứ đâu.

Trái đất sẽ đóng băng, PDQ; chúng tôi sẽ không tồn tại lâu.

Sóng hấp dẫn đã được phát hiện trong vài năm qua, và đây chỉ là những gợn sóng trong các trường hấp dẫn lan truyền với tốc độ ánh sáng. Chúng ta biết rằng chúng lan truyền với tốc độ ánh sáng bởi vì đó là cách các máy dò sóng trọng lực như LIGO hoạt động và bởi vì chúng ta đã tương quan một số tín hiệu trọng lực với tín hiệu ánh sáng đến cùng một lúc.

https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817

Nếu bạn nhìn vào lực hấp dẫn của mặt trăng trên thủy triều, bạn sẽ lưu ý rằng thủy triều nằm sau mặt trăng bốn giờ do đó bạn có thể cho rằng trọng lực không phải là tức thời.