Prędkość grawitacji
TłoEdit
Ogólna teoria względności przewiduje, że promieniowanie grawitacyjne powinno istnieć i rozchodzić się jako fala z prędkością światła: Powoli ewoluujące i słabe pole grawitacyjne będzie wytwarzać, zgodnie z ogólną teorią względności, efekty takie jak w przypadku grawitacji newtonowskiej (nie zależy to od istnienia grawitonów, wspomnianych powyżej, ani żadnych podobnych cząstek przenoszących siłę).
Gwałtowne przesunięcie jednej z dwóch oddziałujących grawitacyjnie cząstek spowodowałoby, po opóźnieniu odpowiadającym prędkości światła, odczucie braku tej drugiej: przyspieszenia spowodowane zmianą momentu kwadrupolowego układów gwiazd, takich jak układ podwójny Hulse-Taylora, usunęły wiele energii (prawie 2% energii naszego własnego Słońca) w postaci fal grawitacyjnych, które teoretycznie poruszałyby się z prędkością światła.
Dwa oddziałujące grawitacyjno-elektrycznie zespoły cząstek, np, dwie planety lub gwiazdy poruszające się ze stałą prędkością względem siebie, każdy z nich odczuwa siłę w kierunku chwilowego położenia drugiego ciała bez opóźnienia prędkości światła, ponieważ niezmienność Lorentza wymaga, aby to, co widzi poruszające się ciało w statycznym polu i to, co widzi poruszające się ciało emitujące to pole, było symetryczne.
Niewidzenie przez poruszające się ciało żadnej aberracji w statycznym polu emanującym od „nieruchomego ciała” powoduje zatem, że niezmienniczość Lorentza wymaga, aby w ramie odniesienia poprzednio poruszającego się ciała linie pola (teraz poruszającego się) ciała emitującego nie były opóźnione ani opóźnione na odległość. Poruszające się naładowane ciała (w tym ciała emitujące statyczne pola grawitacyjne) wykazują statyczne linie pola, które nie zaginają się wraz z odległością i nie wykazują żadnych efektów opóźnienia prędkości światła, widzianych z ciał poruszających się względem nich.
Innymi słowy, ponieważ pole grawitacyjno-elektryczne jest z definicji statyczne i ciągłe, nie rozchodzi się ono. Jeśli takie źródło statycznego pola zostanie przyspieszone (np. zatrzymane) w stosunku do swojej poprzedniej ramki o stałej prędkości, jego odległe pole będzie nadal aktualizowane, tak jakby naładowane ciało poruszało się ze stałą prędkością. Efekt ten powoduje, że odległe pola nieprzyspieszonych poruszających się ładunków wydają się być „aktualizowane” natychmiastowo dla ich ruchu ze stałą prędkością, widzianego z odległych pozycji, w ramie, w której źródło-obiekt porusza się ze stałą prędkością. Jednakże, jak wspomniano, jest to efekt, który może być usunięty w dowolnym momencie, poprzez przejście do nowego układu odniesienia, w którym odległe ciało naładowane jest teraz w spoczynku.
Statyczny i ciągły składnik grawitacyjno-elektryczny pola grawitacyjnego nie jest składnikiem grawitomagnetycznym (promieniowanie grawitacyjne); patrz klasyfikacja Petrova. Pole grawitacyjno-elektryczne jest polem statycznym i dlatego nie może superluminalnie przekazywać skwantowanej (dyskretnej) informacji, tzn. nie mogłoby stanowić dobrze uporządkowanej serii impulsów niosących dobrze określone znaczenie (tak samo jest dla grawitacji i elektromagnetyzmu).
Aberracja kierunku pola w ogólnej teorii względności, dla słabo przyspieszonego obserwatoraEdit
Skończona prędkość oddziaływania grawitacyjnego w ogólnej teorii względności nie prowadzi do tego rodzaju problemów z aberracją grawitacji, którymi pierwotnie zajmował się Newton, ponieważ nie ma takiej aberracji w statycznych efektach polowych. Ponieważ przyspieszenie Ziemi względem Słońca jest małe (co oznacza, w dobrym przybliżeniu, że te dwa ciała mogą być traktowane jako poruszające się po liniach prostych obok siebie z niezmienną prędkością), orbitalne wyniki obliczone przez ogólną względność są takie same jak wyniki grawitacji newtonowskiej z natychmiastowym działaniem na odległość, ponieważ są modelowane przez zachowanie statycznego pola ze stałą prędkością ruchu względnego i bez aberracji dla zaangażowanych sił. Chociaż obliczenia są znacznie bardziej skomplikowane, można pokazać, że pole statyczne w ogólnej teorii względności nie cierpi na problemy aberracji widziane przez nie przyspieszonego obserwatora (lub słabo przyspieszonego obserwatora, takiego jak Ziemia). Analogicznie, „termin statyczny” w elektromagnetycznej teorii potencjału Liénarda-Wiecherta dla pól pochodzących od poruszającego się ładunku nie ulega ani aberracji, ani retardacji pozycyjnej. Jedynie termin odpowiadający przyspieszeniu i emisji elektromagnetycznej w potencjale Liénarda-Wiecherta wykazuje kierunek w stronę opóźnionej w czasie pozycji emitera.
W rzeczywistości niezbyt łatwo jest skonstruować samozgodną teorię grawitacji, w której oddziaływanie grawitacyjne rozchodzi się z prędkością inną niż prędkość światła, co komplikuje dyskusję nad tą możliwością.
Konwencje formułoweEdit
W ogólnej teorii względności tensor metryczny symbolizuje potencjał grawitacyjny, a symbole Christoffela rozmaitości czasoprzestrzennej symbolizują pole sił grawitacyjnych. Pływowe pole grawitacyjne jest związane z krzywizną czasoprzestrzeni.
PomiaryEdit
Dla czytelnika pragnącego pogłębić wiedzę, obszerny przegląd definicji prędkości grawitacji i jej pomiaru za pomocą precyzyjnych technik astrometrycznych i innych znajduje się w podręczniku Relatywistyczna mechanika nieba w Układzie Słonecznym.
Rozpad orbitalny PSR 1913+16
Prędkość grawitacji (bardziej poprawnie, prędkość fal grawitacyjnych) można obliczyć na podstawie obserwacji szybkości rozpadu orbitalnego pulsarów podwójnych PSR 1913+16 (zauważony powyżej układ podwójny Hulse-Taylora) i PSR B1534+12. Orbity tych pulsarów binarnych rozpadają się w wyniku utraty energii w postaci promieniowania grawitacyjnego. Szybkość utraty tej energii („tłumienie grawitacyjne”) można zmierzyć, a ponieważ zależy ona od prędkości grawitacji, porównanie zmierzonych wartości z teorią pokazuje, że prędkość grawitacji jest równa prędkości światła z dokładnością do 1%. Jednakże, zgodnie z założeniami formalizmu PPN, pomiar prędkości grawitacji poprzez porównanie wyników teoretycznych z wynikami eksperymentalnymi będzie zależał od teorii; zastosowanie teorii innej niż ogólna teoria względności mogłoby w zasadzie pokazać inną prędkość, choć istnienie tłumienia grawitacyjnego w ogóle implikuje, że prędkość nie może być nieskończona.
Jowiszowa okultacja QSO J0842+1835 (zakwestionowana)
We wrześniu 2002 roku Siergiej Kopeikin i Edward Fomalont ogłosili, że zmierzyli prędkość grawitacji pośrednio, wykorzystując swoje dane z pomiaru VLBI opóźnionej pozycji Jowisza na jego orbicie podczas tranzytu Jowisza przez linię widzenia jasnego źródła radiowego kwazara QSO J0842+1835. Kopeikin i Fomalont doszli do wniosku, że prędkość grawitacji jest pomiędzy 0,8 a 1,2 razy większa od prędkości światła, co byłoby w pełni zgodne z teoretycznym przewidywaniem ogólnej teorii względności, że prędkość grawitacji jest dokładnie taka sama jak prędkość światła.
Szczególni fizycy, w tym Clifford M. Will i Steve Carlip, skrytykowali te twierdzenia na podstawie tego, że rzekomo źle zinterpretowali wyniki swoich pomiarów. Warto zauważyć, że przed faktycznym tranzytem Hideki Asada w pracy dla Astrophysical Journal Letters teoretyzował, że proponowany eksperyment był w istocie okrężnym potwierdzeniem prędkości światła zamiast prędkości grawitacji.
Należy pamiętać, że żaden z dyskutantów w tej kontrowersji nie twierdzi, że ogólna względność jest „błędna”. Chodzi raczej o to, czy Kopeikin i Fomalont rzeczywiście dostarczyli kolejną weryfikację jednego z jej fundamentalnych przewidywań.
Kopeikin i Fomalont nadal jednak energicznie argumentują swoją tezę i sposób prezentacji wyniku na konferencji prasowej Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego (AAS), która odbyła się po tym, jak wyniki eksperymentu na Jowiszu zostały zrecenzowane przez ekspertów z naukowego komitetu organizacyjnego AAS. W późniejszej publikacji Kopeikina i Fomalonta, wykorzystującej formalizm biometryczny, który dzieli stożek zerowy czasoprzestrzeni na dwa – jeden dla grawitacji, a drugi dla światła – autorzy twierdzili, że twierdzenie Asady jest teoretycznie nieuzasadnione. Oba stożki zerowe nakładają się na siebie w ogólnej teorii względności, co utrudnia śledzenie efektów prędkości grawitacji i wymaga specjalnej techniki matematycznej grawitacyjnych potencjałów opóźnionych, która została opracowana przez Kopeikina i współautorów, ale nigdy nie została właściwie wykorzystana przez Asadę i/lub innych krytyków.
Stuart Samuel wykazał również, że eksperyment nie mierzył prędkości grawitacji, ponieważ efekty były zbyt małe, aby je zmierzyć. Odpowiedź Kopeikina i Fomalonta podważa tę opinię.
GW170817 i upadek dwóch gwiazd neutronowych
Detekcja GW170817 w 2017 roku, finalé inspiratora gwiazdy neutronowej obserwowanego zarówno poprzez fale grawitacyjne, jak i promienie gamma, dostarcza obecnie zdecydowanie najlepszego ograniczenia na różnicę między prędkością światła a prędkością grawitacji. Fotony zostały wykryte 1,7 sekundy po szczytowej emisji fal grawitacyjnych; zakładając opóźnienie od zera do 10 sekund, różnica między prędkościami fal grawitacyjnych i elektromagnetycznych, vGW – vEM, jest ograniczona do wartości od -3×10-15 do +7×10-16 razy prędkości światła.
To również wykluczyło niektóre alternatywy dla ogólnej teorii względności, w tym warianty teorii skalarno-tensorowej, instancje teorii Horndeski’ego i grawitację Hořavy-Lifshitza.
Wyeliminowało to również niektóre alternatywy dla ogólnej teorii względności, w tym warianty teorii skalarno-tensorowej, instancje teorii Horndeski’ego i grawitację Hořavy-Lifshitza.