อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงนั้นเกิดขึ้นทันทีหรือไม่?

เมื่อฉันอยู่ในวิทยาลัยฉันถูกส่งตัวไปยังนักดาราศาสตร์เพื่อทำการทดลองทางความคิดซึ่งทำให้สมองของฉันสับสนในบางครั้ง: "ถ้าเรื่องทั้งหมดในดวงอาทิตย์หายไปอย่างน่าอัศจรรย์ในทันทีมันจะต้องใช้แรงโน้มถ่วงนานเท่าใด เรา?" การตอบสนองของเขาคือแรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่ไม่เหมือนความเร็วของแสงซึ่งปรากฏขึ้นทันที

คำถามใหญ่ของฉันคือ: "เรารู้หรือไม่ว่ามันเป็นเรื่องฉับพลัน?" เราไม่สามารถเคลื่อนย้ายวัตถุที่มีขนาดใหญ่พอที่จะมีอิทธิพลต่อแรงโน้มถ่วงที่สังเกตได้เร็วพอที่จะวัดได้ว่ามันสร้างปรากฏการณ์ที่คล้ายกันกับดอปเลอร์

หากเขาผิดเราจะรู้ได้อย่างไรว่าไม่ใช่

คำถามแรกตามที่ระบุไว้มีคำตอบที่ค่อนข้างเล็กน้อย:

"ถ้าดวงอาทิตย์หายไปอย่างน่าอัศจรรย์ทันทีพร้อมกับอิทธิพลทั้งหมดมันจะใช้เวลานานเท่าไรในการหยุดที่จะมีผลกระทบกับเรา?"

เนื่องจากแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์อยู่ในอิทธิพลของมันมันจะหยุดส่งผลกระทบต่อเราทันที นั่นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของสถานการณ์เวทย์มนตร์และไม่ได้เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ใด ๆ อีกเล็กน้อยที่น่าสนใจคือคำถามที่ไม่มีส่วนที่เป็นตัวหนา

ในทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปการเปลี่ยนแปลงของสนามแรงโน้มถ่วงจะแพร่กระจายด้วยความเร็วแสง ดังนั้นหนึ่งอาจคาดหวังว่าการหายตัวไปอย่างมหัศจรรย์และทันทีของดวงอาทิตย์จะไม่ส่งผลกระทบต่อโลกเป็นเวลาประมาณแปดนาทีเนื่องจากนั่นเป็นระยะเวลาที่แสงจากดวงอาทิตย์ใช้เพื่อเข้าถึงโลก

อย่างไรก็ตามนี่เป็นข้อผิดพลาดเนื่องจากการหายตัวไปของดวงอาทิตย์ในทันทีนั้นละเมิดกฎสัมพัทธภาพทั่วไปเนื่องจากสมการสนามไอน์สไตน์บังคับใช้กฎการอนุรักษ์แบบท้องถิ่นเกี่ยวกับเมตริกซ์พลังงาน - ความเครียดคล้ายกับความแตกต่างของสนามแม่เหล็ก ย่านเล็ก ๆ แห่งกาลอวกาศไม่มีแหล่งกำเนิดในท้องถิ่นหรือแหล่งพลังงานความเครียด มันจะต้องมาจากที่ไหนสักแห่งและไปที่ไหนสักแห่ง เนื่องจากการหายตัวไปอย่างกะทันหันของดวงอาทิตย์เป็นการละเมิดทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปจึงไม่เหมาะสมที่จะใช้ทฤษฎีนั้นเพื่อทำนายว่าจะเกิดอะไรขึ้นในสถานการณ์เช่นนี้

ดังนั้นแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์ในทันทีที่หยุดผลกระทบใด ๆ บนโลกนั้นก็สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเหมือนกับการหน่วงเวลาใด ๆ หรือจะแม่นยำก็ไม่สอดคล้องกัน

คำถามใหญ่ของฉันตอนนี้คือ: "เราจะรู้ได้อย่างไรว่ามันเป็นเรื่องทันที

มันไม่ได้เป็นแบบทันที แต่สามารถปรากฏได้เช่นกัน

เราไม่สามารถเคลื่อนย้ายวัตถุที่มีขนาดใหญ่พอที่จะมีอิทธิพลต่อแรงโน้มถ่วงที่สังเกตได้เร็วพอที่จะวัดได้ว่ามันสร้างปรากฏการณ์ที่คล้ายกันกับดอปเลอร์

เราไม่จำเป็นต้อง: การเปลี่ยนแปลงของระบบสุริยะนั้นเร็วพอ การคำนวณอย่างง่ายเนื่องจาก Laplace ในศตวรรษที่สิบเก้าต้นสรุปว่าถ้าแรงโน้มถ่วงผิดปกติวงโคจรของโลกจะชนเข้ากับดวงอาทิตย์ในช่วงเวลาประมาณสี่ศตวรรษ ดังนั้นแรงโน้มถ่วงจึงไม่ผิดเพี้ยนอย่างเห็นได้ชัด - การวิเคราะห์อย่างละเอียดยิ่งขึ้นสรุปว่าในกรอบของนิวตันความเร็วของแรงโน้มถ่วงจะต้องมากกว่าความเร็วของแสงจะสอดคล้องกับการขาดความผิดปกติที่สังเกตได้$2\times10^{10}$

นี่อาจจะดูค่อนข้างงุนงงกับการอ้างถึงสัมพัทธภาพทั่วไปว่าการเปลี่ยนแปลงในสนามความโน้มถ่วงนั้นแพร่กระจายด้วยความเร็วแสง แต่จริงๆแล้วมันไม่ใช่เรื่องแปลก สนามไฟฟ้าของประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอนั้นจะถูกนำไปยังตำแหน่งทันทีของประจุ - ไม่ใช่ตำแหน่งที่ประจุเคยเป็นอย่างที่เราคาดหวังจากความล่าช้าของแสง นี่ไม่ได้หมายความว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแพร่กระจายอย่างทันทีทันใด - หากคุณสั่นสะเทือนประจุข้อมูลนั้นจะถูก จำกัด โดยเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อการกระทำของคุณ แต่มันเป็นเพียงสิ่งที่จริงสำหรับการเคลื่อนไหวที่สม่ำเสมอ$c$ประจุไฟฟ้า: สนามไฟฟ้า "คาดการณ์" ซึ่งจะมีการเปลี่ยนแปลงหากไม่มีอิทธิพลกระทำ ถ้าความเร็วประจุเปลี่ยนแปลงช้าพอมันจะดูเหมือนว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเกิดขึ้นทันทีแม้ว่ามันจะไม่ใช่ก็ตาม

แรงโน้มถ่วงทำได้ดียิ่งขึ้นสนามความโน้มถ่วงของมวลที่เร่งอย่างสม่ำเสมอนั้นมีตำแหน่งเป็นปัจจุบัน ดังนั้นแรงโน้มถ่วง "คาดการณ์" ซึ่งมวลจะขึ้นอยู่กับความเร็วปัจจุบันเท่านั้น แต่ยังเร่งด้วย ดังนั้นหากเงื่อนไขเป็นเช่นนั้นความเร่งของวัตถุแรงโน้มถ่วงจะเปลี่ยนไปอย่างช้าๆ (เช่นในระบบสุริยะ) แรงโน้มถ่วงจะดูทันที แต่นี่เป็นความจริงโดยประมาณถ้าความเร่งเปลี่ยนแปลงช้า - มันเป็นเพียงการประมาณที่ดีมากภายใต้เงื่อนไขของระบบสุริยะ ท้ายที่สุดแรงโน้มถ่วงของนิวตันก็ทำงานได้ดี

การวิเคราะห์รายละเอียดของสิ่งนี้สามารถพบได้ในความผิดปกติของ Steve Carlip และความเร็วของแรงโน้มถ่วง , Phys.Lett.A 267 : 81-87 (2000) [arXiV: gr-qc / 9909087 ]

หากเขาผิดเราจะรู้ได้อย่างไรว่าไม่ใช่

เรามีจำนวนมากของหลักฐานพัทธภาพทั่วไป แต่หลักฐานที่ดีที่สุดในปัจจุบันว่าพฤติกรรมรังสีแรงโน้มถ่วงเป็น GTR บอกว่ามันจะเป็นฮัลส์เทย์เลอร์ไบนารี อย่างไรก็ตามยังไม่มีการสังเกตการแผ่รังสีความโน้มถ่วงโดยตรง การเชื่อมต่อระหว่างระดับของการยกเลิกผลกระทบที่ขึ้นอยู่กับความเร็วในแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงรวมถึงการเชื่อมต่อกับธรรมชาติไดโพลของรังสี EM และธรรมชาติสี่เท่าของรังสีความโน้มถ่วงสามารถพบได้ในกระดาษของ Carlip

ที่จริงแล้วแรงโน้มถ่วง "ทันที" เป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ขณะนี้เป็นที่เข้าใจกันว่า "ความเร็วของแรงโน้มถ่วง" เท่ากับความเร็วของแสงตามความสัมพันธ์ทั่วไป http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_gravity

เห็นได้ชัดว่าเพิ่งได้รับการยืนยันแล้วและมีรายละเอียดมากขึ้นที่นี่: https://medium.com/starts-with-a-bang/what-is-the-the-speed-of-gravity-8ada2eb08430#.kgnvcvxo2

อัปเดตในปี 2018: @Stan Liou คำตอบนั้นยอดเยี่ยม แต่เนื่องจากเขาเขียนคำตอบนั้นเราได้ทำการวัดความเร็วของคลื่นความโน้มถ่วงและยืนยันความแม่นยำระดับสูงว่าเป็นความเร็วของแสงในสุญญากาศ

ในเดือนสิงหาคม 2560 LIGO ตรวจพบ GW170817 ซึ่งเป็นผู้ตรวจการดาวนิวตรอน หอสังเกตการณ์ X-ray ในวงโคจรตรวจพบรังสีเอกซ์จากการชนกันมากที่สุดในเวลาเดินทาง 2 วินาทีดังนั้นความเร็วแสง == ความเร็วของแรงโน้มถ่วงได้รับการยืนยัน นี่คือข้อสรุปที่ดีของผลลัพธ์

พวกเราไม่มีใครรู้ว่าดวงอาทิตย์หายไปจริง ๆ จนกระทั่งผ่านไปแปดนาที ณ จุดนั้นเราทุกคนจะกรีดร้องอย่างรวดเร็วและตื่นตระหนกในความมืดมิดและมืดมิดซึ่งจะเข้ามาแทนที่แสงปกติในทันที ฉันคิดว่าความกังวลเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่เรากังวลน้อยที่สุด

หากเกิดขึ้นในตอนกลางคืนพวกเราที่อยู่ในแสงประดิษฐ์จะไม่ได้รับความประหลาดใจในเวลาสั้น ๆ คนข้างนอกอาจสงสัยว่าทำไมดวงจันทร์ถึงกระพริบออกมา ... เมื่อดวงตาเริ่มคุ้นเคยกับความมืดสนิทดวงดาวในพื้นที่ที่ท้องฟ้าปลอดโปร่งจะเห็นได้ทุกที่

โลกจะกลายเป็นน้ำแข็ง PDQ; เราจะไม่นาน

คลื่นความโน้มถ่วงถูกตรวจจับในช่วงสองสามปีที่ผ่านมาและสิ่งเหล่านี้เป็นระลอกคลื่นในสนามแรงโน้มถ่วงที่แพร่กระจายด้วยความเร็วแสง เรารู้ว่าพวกมันแพร่กระจายด้วยความเร็วของแสงเพราะนั่นเป็นวิธีที่เครื่องตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงเช่น LIGO ทำงานและเพราะเรามีความสัมพันธ์ของสัญญาณแรงโน้มถ่วงบางส่วนกับสัญญาณแสงที่มาถึงในเวลาเดียวกัน

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

หากคุณดูแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์บนกระแสน้ำคุณจะทราบว่ากระแสน้ำนั้นอยู่ด้านหลังดวงจันทร์สี่ชั่วโมงดังนั้นคุณอาจจะถือว่าแรงโน้มถ่วงนั้นไม่ได้เกิดขึ้นทันที