您现在的位置是: 首页 > 科技 >

这就是为什么重力的速度必须等于光速的原因

  • 2019-11-16 09:19:47

如果太阳自发地停止发光,那么大约8分20秒我们就不会知道。此时此刻,到达地球的光是在过去有限的时间内从太阳的光层发出的,而现在仅在跨越1.5亿公里(9,300万英里)的距离之后才看到来自地球的太阳。如果太阳现在马上要黑了,我们要等到光不再停下来才能发现。

但是万有引力呢?如果太阳是自发地(以某种方式)从存在中移出的,那么在直线飞行之前地球将在椭圆轨道中停留多长时间?信不信由你,对于这个问题,答案必须与光完全相同:8分20秒。引力的速度不仅在观察上等于光速到非常精确的程度,而且这两个常数在理论上必须完全相等,否则广义相对论就会崩溃。这就是背后的原因。

在广义相对论出现之前,我们最成功的引力理论是牛顿的万有引力定律。根据牛顿的说法,空间中任何两个物体之间的重力仅由四个参数定义:

请记住,这些是牛顿引力中唯一允许的四个参数。您可以根据此力定律执行各种计算,以得出例如围绕太阳的椭圆形行星轨道。但是这些方程式仅在重力是瞬时的情况下有效。

这可能会使您感到困惑。毕竟,如果引力的速度仅等于光速,而不是无限大的力,那么地球应该被吸引到8分20秒前太阳所在的地方,而不是太阳现在所在的地方,在这个特定的时刻。但是,如果您进行这种计算,而是让地球被吸引到太阳的过去位置而不是其当前位置,那么您将获得关于其轨道的预测,这是非常错误的,以至于牛顿本人,其质量观测距今不到100年(到第谷·布拉赫(Tycho Brahe)时代)可以排除。

实际上,如果您使用牛顿定律来计算行星的轨道并要求它们与现代观测相匹配,那么引力不仅必须比光速快,而且还必须至少为200亿个更快的速度:与无限的速度无法区分。

问题是这样的:如果您有一个中心力,例如地球等绑定粒子被吸引到太阳,但以有限的速度绕太阳运动(绕行或传播),那么您只会得到一个纯粹的力。椭圆轨道,如果该力的传播速度是无限的。如果它是有限的,那么您不仅会获得径向加速度(朝着另一个质量),而且还会得到一个使粒子切向加速的分量。

这将使轨道不仅变成椭圆形,而且变得不稳定。在仅仅一个世纪的规模上,轨道将发生巨大变化。到1805年,拉普拉斯已利用对月球的观测来证明牛顿引力的速度必须比光速大700万倍。现在,现代的约束条件是光速的200亿倍,这对于牛顿来说非常有用。但是,所有这些都给爱因斯坦带来了沉重的负担。

根据爱因斯坦的观点,牛顿的引力定律在概念上存在一个大问题:两个物体之间的距离不是绝对量,而是取决于观察者的运动。如果您朝着或远离绘制的任何假想线移动,则该方向上的距离将缩小,具体取决于您的相对速度。为了使引力成为可计算的量,所有观察者都必须得出一致的结果,这是将相对论与牛顿引力定律相结合所无法获得的。

因此,根据爱因斯坦的观点,您必须发展一种将引力和相对论运动结合在一起的理论,这意味着要发展广义相对论:将重力结合到其中的相对论运动理论。一旦完成,广义相对论就讲述了一个截然不同的故事。

为了使不同的观察者就万有引力的工作方式达成共识,绝对空间,绝对时间或无限传播的信号都不能存在。取而代之的是,空间和时间对于不同的观察者而言都必须是相对的,并且信号只能以与光速完全相同的速度传播(如果正在传播的粒子是无质量的)或以吹动光速的速度传播(如果粒子具有质量)。

但是,为了解决这个问题,必须有一个附加的作用,以消除由有限重力引起的切向加速度非零的问题。广义相对论也具有速度相关的相互作用这一事实几乎完全抵消了这种现象,即重力畸变。例如,当地球在太空中移动时,它感觉到来自太阳的力会随着位置的变化而变化,就像通过海洋航行的船在升起并再次降下一个不同的位置时会下降到另一个位置一样传递波。

值得注意的是,而且绝不是显而易见的是,这两种效果几乎完全抵消了。引力像差是有限的事实,但广义相对论(与牛顿引力不同)具有依赖于速度的相互作用,这是使牛顿引力如此近似的事实。只有一种速度才能使这种抵消效果良好:如果重力等于光速。

这就是为什么重力要等于光速的理论动机。如果您希望行星轨道与我们所看到的一致,并且对所有观察者都一致,那么您就需要一个等于c的重力速度,并使您的理论相对不变。但是,还有另一个警告。在广义相对论中,引力像差和速度相关项之间的抵消几乎是精确的,但并不完全相同。只有正确的系统才能揭示爱因斯坦和牛顿的预测之间的差异。

在我们附近,太阳引力太弱,无法产生可测量的效果。您想要的是这样一个系统,它在距巨大源的距离很小的情况下具有较大的引力场,其中,在具有大梯度的引力场中,移动物体的速度既快速又迅速变化(加速)。

我们的太阳没有给我们,但是双星黑洞或双星中子星周围的环境却可以!理想情况下,一个具有大质量物体并通过变化的引力场以变化的速度运动的系统将展示这种效果。一个双星中子星系统,其中一个中子星是一个非常精确的脉冲星,正好适合这个要求。

脉冲星,尤其是毫秒脉冲星,是宇宙中最好的自然时钟。当中子星旋转时,它会发出电磁辐射射流,每旋转360度,它就有可能与地球的视线对齐。如果对齐正确,我们将观察到这些脉冲以非常可预测的精度和精确度到达。

但是,如果脉冲星处于双星系统中,则在不断变化的引力场中移动将引起引力波的发射,引力波将能量带离引力系统。能量的损失必须来自某个地方,并通过脉冲星轨道的衰减来补偿。脉冲星衰变的预测对重力速度非常敏感。PSR 1913 + 16甚至使用自己发现的第一个二进制脉冲星系统(或Hulse-Taylor二进制),也使我们能够将引力的速度限制为等于光速的0.2%之内!

从那时起,其他测量也证明了光速和重力速度之间的等效性。2002年,偶然的巧合使地球,木星和一个非常强大的射电类星体(称为QSO J0842 + 1835)全部对准。当木星在地球和类星体之间通过时,木星的引力作用导致星光以与重力速度有关的方式弯曲。

实际上,木星确实弯曲了类星体发出的光,使我们能够排除重力的无限速度,并确定它实际上是在每秒2.55亿米至3.81亿米之间,与光速(299,792,458 m / s)以及爱因斯坦的预测。甚至在最近,对引力波的首次观测给我们带来了更严格的约束。

从检测到的第一个重力波以及它们到达华盛顿州汉福德市和路易斯安那州利文斯顿市的到达时间的差异,我们直接了解到,重力速度等于光速在70%左右,与脉冲星时间限制。但是当2017年看到中子星与中子星合并产生的引力波和光同时到达时,在超过1亿光年的旅程中,伽马射线信号仅在引力​​波信号之后1.7秒出现,这一事实告诉了我们该光的速度和重力的速度不超过1份的千万亿不同:1015。

只要引力波和光子没有静止质量,物理学定律就规定它们必须以完全相同的速度移动:光速必须与重力相同。甚至在约束变得如此壮观之前,就需要引力理论再现牛顿轨道,同时相对论不变地得出这一必然结论。重力的速度恰好是光速,而物理学将不允许它采用任何其他方式。

宇宙的重力常数G对每个人来说都是相同的。

第一个物体的质量m,它承受重力。(根据爱因斯坦的等效原理,这与运动定律中的m相同,如F= ma。)

第二个物体的质量M吸引第一个物体。

它们之间的距离r从第一个对象的质心延伸到第二个对象的质心。

版权声明:转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益,请作者持权属证明与本网联系,我们将及时更正、删除,谢谢您的支持与理解。
Top