Tyngdkraftshastighet

Tyngdhastigheten  är hastigheten för utbredning av gravitationspåverkan , störningar och vågor .

Tyngdkraftens hastighet i fysikaliska teorier

Klassisk fysik

I Newtons gravitationsteori ingår inte gravitationshastigheten i någon formel, eftersom den anses vara oändligt stor. I sina arbeten om himlamekanik [1] visade Laplace att om gravitationsinteraktionen mellan två kroppar inte agerar omedelbart (vilket motsvarar införandet av en hastighetsberoende potential), så kommer momentum inte att bevaras i systemet för rörelse. planeter - en del av rörelsemängden kommer att överföras till gravitationsfältet, liknande hur det sker i den elektromagnetiska interaktionen av laddningar i elektrodynamiken. Ur Newtons synvinkel, om gravitationsinflytandet överförs med en ändlig hastighet och inte beror på kropparnas hastigheter, bör alla punkter på planeten attraheras till den punkt där solen var lite tidigare, och inte till dess samtidiga läge. På grundval av detta visade Laplace att excentriciteten och halvstora axlarna för banorna i Keplerproblemet med en ändlig gravitationshastighet måste öka med tiden - uppleva sekulära förändringar. Från de övre gränserna för förändringar i dessa kvantiteter, som härrör från solsystemets stabilitet och månens rörelse, visade Laplace att utbredningshastigheten för gravitationell Newtons interaktion inte kan vara lägre än 50 miljoner ljushastigheter [2] .

Kommuniceras attraktion från en kropp till en annan direkt? Sändningstiden, om den vore märkbar för oss, skulle visa sig övervägande som en sekulär acceleration i månens rörelse. Jag föreslog detta sätt att förklara den acceleration som observerades i nämnda rörelse, och fann att man för att tillfredsställa observationerna måste tillskriva attraktionskraften en hastighet som är sju miljoner gånger större än ljusstrålens hastighet. Och eftersom nu orsaken till den sekulära ekvationen - Månen är välkänd, kan vi säga att attraktionen överförs med en hastighet av minst femtio miljoner gånger ljusets hastighet. Därför, utan rädsla för några märkbara fel, kan vi ta överföringen av gravitationen som omedelbar.

- P. S. Laplace Exposition of the system of the World Paris, 1797. [3]

Laplaces metod är korrekt för direkta generaliseringar av Newtonsk gravitation, men kanske inte är tillämpbar på mer komplexa modeller. Så, till exempel, inom elektrodynamik, attraheras/avstöts rörliga laddningar inte från de synliga positionerna för andra laddningar, utan från de positioner som de för närvarande skulle inta om de rörde sig enhetligt och rätlinjigt från de synliga positionerna - detta är en egenskap hos Lienard -Wiechert potentialer [4] . Ett liknande övervägande inom ramen för den allmänna relativitetsteorin leder till samma resultat upp till ordningens termer [5] .

Allmän relativitetsteori och andra relativistiska teorier

I den allmänna relativitetsteorin (GR) i tomt utrymme är den begränsande gravitationshastigheten lika med ljusets hastighet [6] [7] [8] . I GR är gravitationsfältets potentialer komponenterna i den metriska tensorn , så att gravitationsfältet i huvudsak identifieras med det metriska fältet.

I kvantteorier om gravitation betyder gravitationshastigheten gravitons hastighet som de minsta partiklarna (kvanta) i fältet. Vanligtvis är den väldigt nära ljusets hastighet eller sammanfaller med den.

I många alternativa teorier om gravitation kan hastigheten för dess utbredning avsevärt skilja sig från ljusets hastighet, så att den direkta mätningen av gravitationshastigheten är ett test av effektiviteten hos dessa teorier.

Experiment för att bestämma gravitationshastigheten

Tyngdhastigheten kan bestämmas av överföringshastigheten av gravitationsfältets påverkan på resultaten av eventuella mätningar. Detta sätt kan användas i högprecisionsexperiment för att mäta fördröjningstiden för passage av ljus och radiosignaler i gravitationsfältet hos någon rörlig massiv kropp.

Så 2002 genomförde Kopeikin och Fomalont ett experiment [9] [10] baserat på radiointerferometri med en extra lång baslinje , där strålning från en avlägsen kvasar QSO J0842+1835 som passerade nära en massiv kropp - Jupiter , registrerades av en kedja av radioteleskop på jorden [11] .

På grund av Jupiters periodiska rörelse i omloppsbana runt solen med en medelhastighet på 13,1 km/s, inträffar en periodisk förändring i gravitationsfältet vid solsystemets referenspunkter. En förändring i metriken (både på grund av en förändring i planetens läge och på grund av dess rörelsehastighet) sker med en fördröjning som är associerad med den begränsade tyngdkraften. Att ta hänsyn till denna fördröjning i analysen av experimentet ger en gravitationshastighet nära ljusets hastighet i storleksordningen, med en noggrannhet på cirka 20 %. Det erhållna resultatet kräver oberoende bekräftelse, eftersom inte alla relativistiska fysiker håller med om tolkningen av experimentet [12] .

Den 11 februari 2016 tillkännagavs den experimentella upptäckten av gravitationsvågor av LIGO- och VIRGO-samarbetena [13] [14] [15] . En analys av effekten av händelsen GW150914 på spridningen av gravitationsvågor beroende på frekvensen motsäger inte hypotesen om en gravitonmassa och sammanfallandet av dess hastighet med ljusets hastighet för hypotetiska förlängningar av allmän relativitet (övre uppskattning för gravitonmassan: m g ≤ 1,2 × 10 −22 eV/c 2 , motsvarar den lägre skattningen för hastigheten för en frekvens på 35 Hz : v g /c ≤ 1 - 10 -18 ) [16]

Ett annat sätt att mäta gravitationshastigheten är associerat med fixeringen av gravitationsvågor från avlägsna stjärnkällor samtidigt med en ljussignal. Den första sådana mätningen erhölls för gravitationsvågen GW170817 . Att döma av denna händelse ligger gravitationsvågornas avvikelse från ljusets hastighet, om en sådan avvikelse existerar, i intervallet från −3×10 −15 till +0,7×10 −15 . Eftersom den förväntade skillnaden mellan brytningsindexen och spridningen av det intergalaktiska mediet är obetydlig, så hittades inga skillnader från ljusets hastighet inom felet [17] .

Anteckningar

  1. ↑ PS Laplace Mecanique celeste, 4, livre X Paris, 1805.
  2. ↑ Bogorodsky A.F. Kapitel 2 // Universal gravitation. - Kiev: Naukova Dumka , 1971.
  3. ↑ Citerat från boken: Boris Nikolaevich Vorontsov-Velyaminov. Laplace. — M .: Zhurgazobedinenie, 1937.
  4. ↑ Feynman behandlar detta problem i volym 6 av The Feynman Lectures on Physics , kapitel 21, § 1.
  5. ↑ Bogorodsky A.F. Kapitel 5, § 15 // Universal gravitation. - Kiev: Naukova Dumka, 1971.
  6. ↑ A. N. Temchin. Sec. 7.1. Vågor och karakteristiska ytor, vågutbredningshastigheter för metriska // Einsteins ekvationer på ett grenrör . - M. : Redaktionell URSS, 1999. - S.  98 -102. — 160 s. — ISBN 5-88417-173-0 .
  7. ↑ Landau L. D., Lifshits E. M. Theoretical Physics: Proc. bidrag: För universitet. I 10 volymer T. II. Fältteori. - 8:e upplagan, stereo. — M.: FIZMATLIT, 2003. — 536 sid. - ISBN 5-9221-0056-4 (vol. II). - § 109. Stark gravitationsvåg.
  8. ↑ Yvonne Choquet-Bruhat. Allmän relativitetsteori och Einsteins  ekvationer . - Oxford University Press, 2009. - S.  170 . — 812 sid. — (Oxford Mathematical Monographs). — ISBN 978-0199230723 .
  9. ↑ Gravity speed mätt Arkivkopia av 17 april 2008 på Wayback Machine https://archive.today/20141130041003/http://www.membrana.ru/particle/4690 date=2014.11.30 }} // membrana, januari 8, 2003
  10. ↑ Grundgränsen för gravitationshastigheten och dess mätning, S.M. Kopeikin . Hämtad 18 oktober 2014. Arkiverad från originalet 8 oktober 2014.
  11. ↑ Fomalont EB, Kopeikin SM Mätningen av ljusavböjningen från Jupiter: Experimentella resultat (2003), Astrophys. J., 598, 704. (astro-ph/0302294)
  12. ↑ Översikt på St. Louis Universitys webbplats Arkiverad 11 september 2008 på Wayback Machine 
  13. ↑ GRAVITATIONSVÅGOR DETEKTERADES 100 ÅR EFTER EINSTEINS  FÖRUTSägelse . JUNGFRUN. Hämtad 11 februari 2016. Arkiverad från originalet 16 februari 2016.
  14. ↑ Emanuele Berti. Synpunkt: De första ljuden av sammanslagna svarta  hål . Physical Review Letters (11 februari 2016). Hämtad 11 februari 2016. Arkiverad från originalet 12 februari 2016.
  15. ↑ B. P. Abbott (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger  (engelska)  // Physical Review Letters  : journal. - 2016. - Vol. 116 , nr. 6 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 . Arkiverad från originalet den 12 februari 2016.
  16. ↑ Abbott, Benjamin P. Tester av allmän relativitetsteori med GW150914 . LIGO (11 februari 2016). Hämtad 12 februari 2016. Arkiverad från originalet 24 december 2018.
  17. ↑ Abbott BP et al. (LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, Fermi Gamma-ray Burst Monitor och INTEGRAL). Gravitationsvågor och gammastrålar från en binär neutronstjärnafusion: GW170817 och GRB 170817A // The Astrophysical Journal. - 2017. - Vol. 848.-P. L13. doi : 10.3847 /2041-8213/aa920c .