引力速度等於光速首先是來自廣義相對論的推論,然後經過了大量的觀測證實,而確立起來的一個宇宙基本規律。
引力傳播的速度不像是光速那樣,可以通過隨處可見的可見光去測量,由於引力看不見也摸不著,並且十分微弱,所測量起來十分困難。
直到最近幾年我們才通過雙黑洞、中子星的合併發現了引力波的存在,以及測量的其速度,確實是廣義相對論所預測的那樣,和光速無法區分。
因此我們現在知道了,我們看到的太陽是8分20秒前的太陽,我們感受到的太陽引力也是8分鐘前太陽所處位置的引力。
當太陽消失以後,我們不會立刻失去光明,地球也不會立刻不受控制的從自己運行軌道的切線方向飛出去,而是會持續的感受到8分鐘的太陽引力。
因為現在地球感受到的引力是8分鐘前的,此時此刻太陽的引力8分鐘後才能達到地球。這就是我們現在所掌握的知識。
但引力的傳播速度是多少?這是個古老的問題,從牛頓提出萬有引力開始,引力這種類似於魔法一般的力量,一直被認為是擁有者無限的速度。
因為只有當引力的瞬時作用的時候,牛頓的引力方程才能準確的預測太陽系行星的運動軌道。
在牛頓力學中,空間和時間是孤立存在的,它們兩個只是為萬物的運動提供了一個平臺,並不會參與和影響萬物的運動。
相反萬物的在空間和時間中的運動也會反過來作用到空間和時間上。就像是一個唱戲的舞臺一樣,演員在上面的表演不會影響到舞臺,舞臺只是給演員的表演提供了一個場所;
就算是沒有演員表演,這個舞臺也是可以孤立存在的。
所以這樣的宇宙觀,並沒有限制物體在空間中的傳播速度。光可以以無限的速度傳播,引力也可以,任何信息都可以。
並且在牛頓的引力方程中,引力只跟兩個作用物體的質量、引力常數、以及它兩之間距離的平方有關係,這樣的引力必須是無限的速度。
如果引力的速度是有限的就會存在一個問題,假如牛頓當時想到了引力等於光速,那麼地球受到的引力就來自於8分鐘前太陽所在位置的引力;
而不是太陽現在時刻所在位置的引力,如果你以8分鐘前太陽位置的引力去計算太陽系各大行星的運行軌道的話,所得出來的結果,就與觀測事實不相符。
只有引力的速度是無限的,那麼地球就會感受到來自現在太陽位置的引力,而不是滯後於太陽現在位置的引力。
上圖可以看到太陽在銀河系中是以一個速度繞著銀河系中心運行的,如果太陽給各大行星的引力不是瞬時作用的,那麼各大行星感受到的引力就會滯後於太陽此時此刻的位置。
你想一下地球感受到的引力是8分鐘前太陽所處位置的引力,那麼這個引力不僅會給行星提供一個朝向太陽中心的徑向加速度,而且這個引力還會在行星軌道運動的切線方向上提供一個分量,使得行星在軌道上運動總是有一個加速度。
因此行星的在軌道上運動的速度會越來越快,使得軌道變得不穩定,這種變化足以在數十年間被觀測到,但是我們並沒有發現行星的軌道運動發生如此的變化。
這就說明牛頓認為瞬時作用力是正確的!但是這樣的假設也會存在一些問題,如果引力的作用是瞬時的,那麼在宇宙中所用存在物質的引力就會瞬間互相疊加,變得無限大,整個宇宙也會不可避免的崩塌,宇宙膨脹也拯救不了宇宙,因為膨脹的速度是有限的,而牛頓的引力是無限的。
除此之外還會存在一個問題,如果光速是有限的,引力是無限的,那麼我們常常都會感受到來自其他物體的引力作用,而看不到這個物體的存在。
這是因為這個物體的引力會瞬間作用在其他物體上,而它發出的光或者發射的光,才慢悠悠的在空間中傳播,這種現象就會導致我們無法用任何的理論去解釋太陽系天體的運動,因為總是有一股莫名的力量在幹預著天體,而我們又看不到。
引力速度的無限,很明顯又違背了現實的因果性。我們先看到了引力的結果,而原因卻在慢吞吞的到來。結果出現在了原因之前。
所以說牛頓所說的引力無限雖然解決了它的引力方程對太陽系的描述,但也是有問題的。
這些問題就需要愛因斯坦更為本質的引力理論去解釋。
我們知道狹義相對論的誕生比廣義相對論早了近10年,在狹義相對論誕生以後就出現了很多的問題和牛頓引力不相容。
首先狹義相對論是不允許任何形式的信息傳播速度超過光速,這就否定了無限速度的說法,而且狹義相對論認為物體的運動會改變空間和時間,也就是尺縮和時間膨脹效應。
這就為牛頓的引力理論提出了一個難題,物體運動時它的尺度會發生變化,那麼你又是如何找準兩個物體之間的距離呢?
狹義相對論還告訴我們能量和質量是等效的,物體運動過程中由於動能的增加,那麼可以認為是其質量增加了,那麼牛頓的引力方程中的質量又如何去確定?
所以種種的不融洽就需要愛因斯坦找到一個能夠兼容狹義相對論以及牛頓引力的理論,也就是將引力納入到相對論理論中。這就是廣義相對論誕生的必要性。
為了解決上文中由於引力速度有限帶來的行星徑向加速度不為零的問題。愛因斯坦必須找到一個額外的效應來抵消行星徑向方向上的加速度,使得行星軌道基本區域穩定,而不是隨著時間的推移,行星軌道變得越來越大,直到飛離主恆星。
那麼什麼能抵消行星的徑向加速度呢?其實就是引力輻射,引力輻射類似於電磁輻射,一個帶電荷的粒子在繞著另外一個帶電荷的粒子運動時就會發出電磁輻射。
同樣的質量物體在繞著另外一個質量物體運動的時候,也會發出引力輻射,引力輻射會帶走軌道能量,使得行星軌道發生衰減,這兩種效果就能互相抵消。
根據愛因斯坦的預測,當引力輻射的速度恰好等於光速的時候,這兩種效應就能幾乎完全抵消。
所以說,引力輻射也就是引力的速度等於光速是廣義相對論的推論,而不是我們隨便的猜測。廣義相對論也是引力速度等於光速的理論基礎。
如果你承認狹義相對論以及廣義相對論是正確的,承認這個現實世界的因果律,那麼引力的速度也必須等於光速。
但是引力輻射導致的軌道衰減以及因為引力速度有限而導致的軌道增大,這兩個效應並非完全準確的抵消掉了。
例如我們地球在未來還是因為引力輻射螺旋墜入到太陽的核心白矮星之中。不過這個時間非常的漫長,估計過個上萬億年也看不到這個現象。
不過我們在雙星脈衝星系統PSR 1913+16中已經觀測到這因為引力輻射發生的軌道衰減,兩個中子星最終合併在了一起,並且我們通過對它們所發出的引力波的速度進行測量,發現引力的速度與光速相差無幾,為光速的99.8%。
2017年我們不僅觀測到了中子星合併產生的伽馬射線暴,這是一種電磁信號,還發現了其發出的引力波信號,兩個信號之間僅僅差了1.7秒。
光的信號稍微慢可一些,被認為是因為周圍的氣體環境導致信號延遲。這也是一個有利的證據證明了引力波的速度和光速基本一致。
由於我們現在對引力並沒有量化,沒有發現引力子的存在,但是科學家根據標準模型的預測表明引力子是一個無質量粒子,不僅僅是相對論,量子力學也預測其速度應該是光速。