時(shí)空中的漣漪就是引力波，它們以光速向各個(gè)方向穿過(guò)空間。雖然電磁學(xué)常數(shù)從未出現(xiàn)在愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論方程中，但引力的速度無(wú)疑等于光速。原因如下。
如果太陽(yáng)自動(dòng)停止發(fā)射光，我們大概8分20秒都不會(huì)知道。就在這個(gè)時(shí)刻，到達(dá)地球的光是從太陽(yáng)的光圈中發(fā)射出來(lái)的，在過(guò)去的一段時(shí)間里，只有在穿越1億5千萬(wàn)公里(9300萬(wàn)英里)將太陽(yáng)和地球分開(kāi)的旅程之后才被看到。如果太陽(yáng)現(xiàn)在就變暗了，我們要等到光線停止時(shí)才會(huì)發(fā)現(xiàn)。
但是重力方面呢？如果太陽(yáng)被自發(fā)地(以某種方式)從存在中移走，那么地球在直線飛行之前，會(huì)在它的橢圓軌道上停留多長(zhǎng)時(shí)間？信不信由你，這個(gè)問(wèn)題的答案必須和光一樣的時(shí)間：8分20秒。在觀測(cè)上，引力的速度不僅等于光速，而且這兩個(gè)常數(shù)在理論上必須完全相等，否則廣義相對(duì)論就會(huì)崩潰。這是原因背后的科學(xué)。
牛頓的萬(wàn)有引力定律已經(jīng)被愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論所取代，但它依賴于瞬間作用(力)的概念，而且非常簡(jiǎn)單。這個(gè)方程中的引力常數(shù)，G，以及兩個(gè)質(zhì)量的值和它們之間的距離，是決定引力的唯一因素。G也出現(xiàn)在愛(ài)因斯坦的理論中。(維基媒體共用用戶DennisNilsson)
在廣義相對(duì)論出現(xiàn)之前，我們最成功的引力理論是牛頓的萬(wàn)有引力定律。根據(jù)牛頓的說(shuō)法，空間中任意兩個(gè)物體之間的引力僅由四個(gè)參數(shù)定義：
記住，這是牛頓引力中唯一允許的四個(gè)參數(shù)。你可以從這個(gè)力定律中進(jìn)行各種計(jì)算，得到，例如，圍繞太陽(yáng)的橢圓行星軌道。但是，這些方程只有在萬(wàn)有引力是瞬時(shí)的情況下才有效。
這八顆主要行星的軌道因偏心而異，與太陽(yáng)的近日點(diǎn)(最近接近)和頂點(diǎn)(最遠(yuǎn)距離)之間的差別也是不同的。沒(méi)有什么根本原因可以解釋為什么有些行星比另一些行星更偏心；這只是太陽(yáng)系形成的初始條件的結(jié)果。然而，如果你以某種方式關(guān)閉太陽(yáng)的引力效應(yīng)，行星就不會(huì)瞬間飛走，而是內(nèi)部行星首先飛走，然后是外部行星，因?yàn)閬?lái)自太陽(yáng)的引力信號(hào)只能以重力的速度向外傳播，而引力信號(hào)應(yīng)該與光速相等。(NASA/JPL-Caltech/R.Hit)
這可能會(huì)讓你有點(diǎn)困惑。畢竟，如果引力的速度僅僅等于光速，而不是無(wú)窮快的力，那么地球就應(yīng)該被吸引到太陽(yáng)8分20秒前的位置，而不是此時(shí)太陽(yáng)所處的位置。但是如果你做這個(gè)計(jì)算，讓地球被太陽(yáng)的過(guò)去位置而不是現(xiàn)在的位置所吸引，你就會(huì)得到一個(gè)關(guān)于太陽(yáng)軌道的預(yù)測(cè)，這是完全錯(cuò)誤的，以至于牛頓自己的高質(zhì)量觀測(cè)可以追溯到100年前(泰喬·布拉赫時(shí)期)，可能已經(jīng)排除了這個(gè)可能性。
事實(shí)上，如果你用牛頓定律來(lái)計(jì)算行星的軌道，并要求它們與現(xiàn)代觀測(cè)相匹配，那么不僅引力的速度必須比光速更快，而且它必須是至少快200億倍：：無(wú)法與無(wú)限速度區(qū)分開(kāi)來(lái)。
行星如何繞太陽(yáng)運(yùn)行的精確模型，然后太陽(yáng)以不同的運(yùn)動(dòng)方向穿過(guò)星系。如果太陽(yáng)只是眨眼就不存在，牛頓的理論預(yù)測(cè)，它們都會(huì)立即直線飛行，而愛(ài)因斯坦則預(yù)測(cè)，內(nèi)行星將比外行星繼續(xù)運(yùn)行更短的時(shí)間。(里斯·泰勒)
問(wèn)題是：如果你有一個(gè)中心力，一個(gè)像(例如)地球這樣的束縛粒子被太陽(yáng)吸引，但以有限的速度圍繞太陽(yáng)(軌道或傳播)運(yùn)動(dòng)，那么只有當(dāng)該力的傳播速度是無(wú)限的時(shí)，你才能得到一個(gè)純粹的橢圓軌道。如果它是有限的，那么你不僅得到一個(gè)徑向加速度(向另一個(gè)質(zhì)量)，你還得到一個(gè)分量，加速你的粒子切切。
這將使軌道不僅橢圓，而且不穩(wěn)定。在僅僅一個(gè)世紀(jì)的規(guī)模內(nèi)，軌道將發(fā)生重大變化。到1805年，拉普拉斯已經(jīng)利用對(duì)月球的觀測(cè)來(lái)證明牛頓引力的速度必須比光速高出700萬(wàn)倍?，F(xiàn)代限制現(xiàn)在是光速的200億倍，這對(duì)牛頓來(lái)說(shuō)是很大的。但所有這些都給愛(ài)因斯坦帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)。
相對(duì)論運(yùn)動(dòng)的一個(gè)革命性的方面，由愛(ài)因斯坦提出，但以前由洛倫茨，菲茨杰拉德和其他人建立，快速移動(dòng)的物體似乎在空間中收縮并在時(shí)間上膨脹。相對(duì)于處于休息狀態(tài)的人，你移動(dòng)得越快，你的長(zhǎng)度就會(huì)越長(zhǎng)，而對(duì)外界來(lái)說(shuō)，時(shí)間似乎就越長(zhǎng)。這幅關(guān)于相對(duì)論力學(xué)的圖片，取代了經(jīng)典力學(xué)的牛頓舊觀點(diǎn)，但也對(duì)非相對(duì)論不變的理論帶來(lái)了巨大的影響，比如牛頓引力。
愛(ài)因斯坦認(rèn)為，在概念上，牛頓引力定律存在一個(gè)大問(wèn)題：任何兩個(gè)物體之間的距離不是絕對(duì)量，而是取決于觀察者的運(yùn)動(dòng)。如果你正在向或遠(yuǎn)離你畫(huà)的任何一條假想的線，那么這個(gè)方向上的距離就會(huì)收縮，這取決于你的相對(duì)速度。如果引力是一個(gè)可計(jì)算的量，所有的觀察者都必須得到一致的結(jié)果，這是你不能通過(guò)把相對(duì)論和牛頓引力定律結(jié)合起來(lái)得到的。
因此，根據(jù)愛(ài)因斯坦的說(shuō)法，你必須發(fā)展一種將引力和相對(duì)論運(yùn)動(dòng)結(jié)合在一起的理論，這意味著發(fā)展廣義相對(duì)論：一種將引力納入其中的相對(duì)論運(yùn)動(dòng)理論。一旦完成，廣義相對(duì)論講述了一個(gè)截然不同的故事。
從動(dòng)畫(huà)的角度來(lái)觀察時(shí)空在質(zhì)量上的反應(yīng)，可以準(zhǔn)確地展示它不僅僅是一張布料，而且所有的空間本身都會(huì)因?yàn)橛钪嬷形镔|(zhì)和能量的存在和特性而變得彎曲。請(qǐng)注意，只有當(dāng)我們不僅包括質(zhì)量物體的位置，而且包括該質(zhì)量在整個(gè)時(shí)間中所處的位置時(shí)，才能描述時(shí)空。瞬時(shí)位置和該物體所在位置的過(guò)去歷史都決定了通過(guò)宇宙移動(dòng)的物體所經(jīng)歷的力。(LUCASVB)
為了讓不同的觀察者就引力的工作方式達(dá)成一致，不可能有絕對(duì)空間、絕對(duì)時(shí)間或以無(wú)限速度傳播的信號(hào)。相反，對(duì)于不同的觀察者，空間和時(shí)間必須是相對(duì)的，信號(hào)只能以完全相等于光速的速度傳播(如果傳播的粒子是無(wú)質(zhì)量的)，或者以吹散光速的速度傳播(如果粒子有質(zhì)量的話)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須有一個(gè)附加的效應(yīng)來(lái)抵消由有限的重力速度引起的非零切向加速度的問(wèn)題。這一現(xiàn)象，被稱為引力像差，幾乎完全被廣義相對(duì)論與速度相關(guān)的相互作用所抵消。例如，當(dāng)?shù)厍蛟谔罩幸苿?dòng)時(shí)，它感覺(jué)到來(lái)自太陽(yáng)的力隨著其位置的改變而變化，就像一艘船在海洋中航行時(shí)會(huì)以另一種不同的姿勢(shì)降落，因?yàn)樗鼤?huì)被一個(gè)經(jīng)過(guò)的波浪升空并再次降下。
當(dāng)一個(gè)質(zhì)量繞另一個(gè)質(zhì)量軌道運(yùn)行時(shí)，引力輻射就會(huì)被發(fā)射出來(lái)，這意味著在足夠長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)，軌道會(huì)衰變。在第一個(gè)黑洞蒸發(fā)之前，地球?qū)⒙菪剡M(jìn)入太陽(yáng)的任何剩余部分，假設(shè)此前沒(méi)有任何其他黑洞將其拋出。地球被太陽(yáng)大約8分鐘前的位置所吸引，而不是被今天的地方所吸引。(美國(guó)物質(zhì)社會(huì))
值得注意的是，這兩種效果幾乎完全被抵消了，這一點(diǎn)一點(diǎn)也不明顯。引力的速度是有限的，這是引力畸變的原因，但是廣義相對(duì)論(不像牛頓引力)有速度相關(guān)的相互作用，這使得牛頓引力成為了一個(gè)很好的近似。只有一種速度能使這種抵消成為一個(gè)好的速度：如果重力的速度等于光速的話。
這就是為什么引力的速度應(yīng)該等于光速的理論動(dòng)機(jī)。如果你想要行星軌道與我們所看到的保持一致，并且對(duì)所有的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)都是一致的，那么你就需要一個(gè)等于地球引力的速度。c，讓你的理論是相對(duì)論性不變的。不過(guò)，還有另外一個(gè)警告。在廣義相對(duì)論中，引力像差和速度相關(guān)項(xiàng)之間的對(duì)消幾乎是精確的，但不是完全正確的。只有正確的系統(tǒng)才能揭示愛(ài)因斯坦和牛頓預(yù)言之間的區(qū)別。
當(dāng)質(zhì)量通過(guò)彎曲空間區(qū)域時(shí)，由于它所處的彎曲空間，它將經(jīng)歷加速。它還經(jīng)歷了一個(gè)額外的影響，因?yàn)樗乃俣?，因?yàn)樗ㄟ^(guò)一個(gè)區(qū)域的空間曲率不斷變化。這兩種效應(yīng)加在一起，與牛頓引力的預(yù)測(cè)有很小的差別。(大衛(wèi)·普朗克射電天文學(xué)研究所冠軍)
在我們自己的鄰居里，太陽(yáng)的引力太弱，無(wú)法產(chǎn)生可測(cè)量的效果。你想要的是一個(gè)系統(tǒng)，在離一個(gè)巨大的源距離很小的地方有一個(gè)很大的引力場(chǎng)，在一個(gè)大梯度的引力場(chǎng)中，運(yùn)動(dòng)物體的速度是快速變化的(加速)。
我們的太陽(yáng)并沒(méi)有給我們這樣的結(jié)果，但是無(wú)論是雙星黑洞還是雙星中子星周?chē)沫h(huán)境都是如此！理想情況下，當(dāng)一個(gè)物體通過(guò)不斷變化的引力場(chǎng)以不斷變化的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)顯示出這種效果。一個(gè)雙星中子星系統(tǒng)，其中一個(gè)中子星是一個(gè)非常精確的脈沖星，正好符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)你有一個(gè)物體，像脈沖星，在太空中運(yùn)行時(shí)，它每次完成360度旋轉(zhuǎn)到一個(gè)偶然排列的觀測(cè)者時(shí)，它都會(huì)脈沖。如果你把脈沖星放在另一個(gè)密度大的物體的雙星系統(tǒng)中，它就會(huì)在這個(gè)空間中快速移動(dòng)，顯示出引力像差和速度相關(guān)相互作用的影響，它們的不精確消除使得科學(xué)家能夠從牛頓系統(tǒng)中分辨出這個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)論性預(yù)測(cè)。(ESO/L.CAL ADA)
脈沖星，特別是毫秒脈沖星，是宇宙中最好的自然時(shí)鐘。當(dāng)中子星自旋時(shí)，它發(fā)射出一股電磁輻射，每360度旋轉(zhuǎn)一次，就有機(jī)會(huì)與地球的角度保持一致。如果對(duì)準(zhǔn)正確，我們將觀察到這些脈沖以非?？深A(yù)測(cè)的精度和精度到達(dá)。
然而，如果脈沖星是一個(gè)雙星系統(tǒng)，那么在這個(gè)變化的引力場(chǎng)中移動(dòng)會(huì)引起引力波的發(fā)射，引力波將能量從引力系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移出去。能量的損失必須來(lái)自某個(gè)地方，并由脈沖星軌道的衰變來(lái)補(bǔ)償。脈沖星衰變的預(yù)測(cè)對(duì)重力的速度非常敏感；甚至使用它自己發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)雙星脈沖星系統(tǒng)，PSR 1913+16(或Hulse-Taylor二元)，允許我們將重力的速度限制為等于光速到內(nèi)部的速度。只有0.2%!
雙星脈沖星的軌道衰減率在很大程度上取決于引力速度和雙星系統(tǒng)的軌道參數(shù)。我們使用雙星脈沖星數(shù)據(jù)將引力速度限制為等于光速99.8%，并在LIGO和Virgo探測(cè)引力波之前幾十年推斷出引力波的存在。然而，引力波的直接探測(cè)是科學(xué)過(guò)程中至關(guān)重要的一部分，沒(méi)有引力波，引力波的存在仍將受到懷疑。(NASA(L)、Max Planck射電天文學(xué)研究所/Michael Kramer(注冊(cè)商標(biāo)))
從那時(shí)起，其他測(cè)量也證明了光速和引力速度之間的等價(jià)性。2002年，偶然的巧合導(dǎo)致了地球、木星和一顆非常強(qiáng)大的類(lèi)星體(稱為QSO J 0842+1835)所有對(duì)齊。當(dāng)木星經(jīng)過(guò)地球和類(lèi)星體之間時(shí)，它的引力效應(yīng)導(dǎo)致星光以重力速度依賴的方式彎曲。
事實(shí)上，木星，使類(lèi)星體的光彎曲使我們能夠排除萬(wàn)有引力速度的無(wú)限速度，并確定它實(shí)際上是每秒2.55億到3.81億米，與光速的精確值一致(299，792，458米/秒)和愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè)。最近，引力波的第一次觀測(cè)給我們帶來(lái)了更嚴(yán)格的約束。
一個(gè)快速伽馬射線爆發(fā)的例子，長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是由中子星的合并而產(chǎn)生的。環(huán)繞在它們周?chē)母缓瑲怏w的環(huán)境可能延遲信號(hào)的到達(dá)，從而解釋了觀測(cè)到的引力和電磁信號(hào)到達(dá)之間的1.7秒差異。這是我們觀察到的最好的證據(jù)，引力的速度必須與光速相等。(ESO)
從第一次探測(cè)到的引力波及其到達(dá)漢福德、瓦和利文斯頓的時(shí)間上的差異，我們直接了解到重力的速度。光速等于70%，這并不是脈沖星時(shí)間限制的改進(jìn)。但是當(dāng)2017年看到中子星和中子星合并產(chǎn)生的引力波和光的到來(lái)時(shí)，伽馬射線信號(hào)在引力波信號(hào)經(jīng)過(guò)1億光年的旅程后僅1.7秒的事實(shí)告訴我們：光的速度和重力的速度相差不超過(guò)千兆分之一。: 10^15.
只要引力波和光子沒(méi)有靜止質(zhì)量，物理定律就規(guī)定它們必須以完全相同的速度運(yùn)動(dòng)：光速，光速必須等于重力的速度。甚至在約束變得如此壯觀之前，要求引力理論再現(xiàn)牛頓軌道，同時(shí)又保持相對(duì)論性不變，就得出了這一不可避免的結(jié)論。引力的速度和光速完全一樣，物理學(xué)不會(huì)讓它成為任何其他的方式。
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