萬有引力的速度是多少?

2020-11-29 科技領航人

在計算了肉眼可見的唯一一顆彗星的軌道後,埃德蒙·哈雷對萬有引力非常感興趣。1684年,他與牛頓會面,討論克卜勒行星運動定律的證明,他驚訝地發現牛頓已經解決了這些問題。事實上,牛頓是一位優秀的博學家,在哈雷求助之前4年,牛頓已證明了這個定律。22歲時,他獨立地發明了微積分。

牛頓

牛頓考慮公布他的證明,哈雷決定成為他的贊助人。牛頓的《原理》將作為人類歷史上最具開創性的作品之一,由哈雷出資出版。然而,一些批評家質疑牛頓對神秘的引力證明的有效性,為什麼引力會這樣工作?

幾個世紀後,愛因斯坦不僅揭示了造成引力神秘引力的原因,而且還設定了一個上限。牛頓認為,萬有引力以與古代光一樣的速度移動——無限。他解釋說,如果太陽突然從太陽系中心消失,所有的行星都會瞬間被拋入太空,其方向是瞬間的切向速度。然而,愛因斯坦不同意。

牛頓萬有引力的問題

牛頓萬有引力的無限範圍意味著每個粒子都會影響其他粒子,而不管它們之間的距離如何,即使它們位於宇宙的相反角落。愛因斯坦並不是第一個持不同意見的人。1859年,法國天文學家勒威耶在水星的軌道上發現了一個異常,這不能用牛頓的萬有引力來解釋,這是最早的批評。水星的軌道在水星的軸線上擺動和偏離,正式名稱為水星的近日點進動。

近日點水星進動

第一次嘗試計算引力的速度是由拉普拉斯,他將引力重新定義為場或液體,他計算出的速度至少是光速的700萬倍。然而,引力速度的有限性,不管它的速度有多快,都引申出一個問題。只有一個物體上的力(比如A)直接指向另一個物體,才能在兩個物體之間實現穩定的軌道。如果重力以無限速度移動,即使物體A和B被天文距離隔開,這兩個物體之間的引力也會瞬間相互影響。但是,有限性會導致滯後。

可以這麼想像一下,兩個物體作為兩個弓箭手射出的箭所傳遞的引力。如果箭頭以有限的速度移動,箭頭將錯過目標,因為目標在不斷旋轉中,將向前推進。這將破壞軌道的穩定,因為這個系統產生的力,涉及一個物體的離心力和引力將偏離其軌道,導致物體逐漸向外螺旋,可能摧毀整個太陽系。

牛頓引力有限速度的問題

要擊中目標,弓箭手必須提前一點射擊來補償運動。如果引力不被認為是一個單一的箭頭,而是一塊四射的箭頭,那麼這些箭頭之一朝物體右側移動(假設它們順時針運行)將正面擊中其目標。當兩個相反的箭頭對齊並垂直於兩個物體的相應離心力時,儘管延遲,都會完成穩定的軌道。

這個論點是由著名的天文學家湯姆·范·弗蘭登提出的,他計算出箭的速度是光速的200億倍,這被認為是瞬間的。然而,愛因斯坦在他的廣義相對論中聲稱,這波箭的速度等於光速——大約每秒299792.458公裡。

為什麼萬有引力速等於光速?

我們必須首先承認愛因斯坦的狹義相對論被嚴重誤解了。速度"c"不是光速所獨有的,而是信息傳輸的獨有。每秒299792.458公裡的速度是指傳輸有關自然界中任何相互作用的信息的上限。因此,光和引力的速度以信息允許移動的峰值速度移動。

根據愛因斯坦的理論,引力並不是一種"力",它毫不動搖地指向其源頭,而是一種波,一種在時空結構上的扭曲——一種以光速傳播的引力波。由於他的理論聲稱空間和時間是不可避免的糾纏,愛因斯坦使用"c"作為轉換因子,將時間單位轉換為空間單位,反之亦然。這是因為它的唯一特徵,不依賴於觀察者的運動或能量來源的特性,光、引力和無質量粒子服從這種特性。

1998年發表的一篇學術論文以"引力速度沒有直接在實驗室中測量——引力相互作用太弱,這樣的解釋超出了目前的技術功能」作為論文開始。現在,近20年後,LIGO的研究人員探測到了引力波,這些引力波是由一個遙遠的星系中1.3億光年外的兩顆恆星的死核的恆星碰撞產生的。爆炸是毀滅性的,致盲的光和引力的震顫穿越了宇宙,甚至可以在地球探測到它。

如果引力速度等於光速,則必須同時接收兩個信號。這將是第一次實驗性地確認引力速度是否真正等於光速,正如愛因斯坦所宣稱的那樣,自從他首次提出「荒謬」的主張以來,物理學家們一直在渴望著證明這一點。這意味著,如果太陽突然從太陽系中心消失,地球的毀滅將在8分鐘後開始,與太陽光到達地球所花的時間相同。

然而,情況並非如此。如此巨大的碰撞也散發出其他形式的電磁輻射,如伽馬射線,幹擾實驗。根據一篇論文,光和引力到達之間的延遲只是幾秒鐘,當我們考慮它們所經過的距離時,這幾乎無關緊要。實驗現在已經將引力速度縮小到光速的1%以內!

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