Viteza gravitației

Viteza gravitaţiei  este viteza de propagare a influenţelor gravitaţionale , perturbaţiilor şi undelor .

Viteza gravitației în teoriile fizice

Fizică clasică

În teoria gravitației a lui Newton, viteza gravitației nu este inclusă în nicio formulă, fiind considerată infinit de mare. În lucrările sale despre mecanica cerească [1] , Laplace a arătat că dacă interacțiunea gravitațională dintre două corpuri nu acționează instantaneu (ceea ce este echivalent cu introducerea unui potențial dependent de viteză), atunci impulsul nu se va conserva în sistemul de mișcare. planete - o parte din impuls va fi transferată în câmpul gravitațional, similar modului în care se întâmplă în interacțiunea electromagnetică a sarcinilor în electrodinamică. Din punct de vedere newtonian, dacă influența gravitațională este transmisă cu o viteză finită și nu depinde de vitezele corpurilor, atunci toate punctele planetei ar trebui să fie atrase în punctul în care Soarele a fost puțin mai devreme și nu spre locația sa simultană. Pe această bază, Laplace a arătat că excentricitatea și semi-axele majore ale orbitelor în problema Kepler cu o viteză gravitațională finită trebuie să crească odată cu timpul - experimentează schimbări seculare. Din limitele superioare ale modificărilor acestor cantități, rezultate din stabilitatea sistemului solar și mișcarea Lunii, Laplace a arătat că viteza de propagare a interacțiunii gravitaționale newtoniene nu poate fi mai mică de 50 de milioane de viteze ale luminii [2] .

Este atracția comunicată de la un corp la altul instantaneu? Timpul de transmisie, dacă ar fi observat pentru noi, s-ar arăta predominant ca o accelerație seculară în mișcarea lunii. Am propus acest mijloc de a explica accelerația observată în mișcarea menționată și am constatat că pentru a satisface observațiile trebuie să atribuim forței de atracție o viteză de șapte milioane de ori mai mare decât viteza razului de lumină. Și întrucât acum cauza ecuației seculare - Luna este binecunoscută, putem spune că atracția se transmite cu o viteză de cel puțin cincizeci de milioane de ori viteza luminii. Prin urmare, fără teama de vreo eroare vizibilă, putem considera transferul gravitației ca fiind instantaneu.

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

Metoda lui Laplace este corectă pentru generalizări directe ale gravitației newtoniene, dar poate să nu fie aplicabilă modelelor mai complexe. Deci, de exemplu, în electrodinamică, sarcinile în mișcare sunt atrase/respinse nu din pozițiile vizibile ale altor sarcini, ci din pozițiile pe care le-ar ocupa în prezent dacă s-ar deplasa uniform și rectiliniu din pozițiile vizibile - aceasta este o proprietate a Lienard-ului. -Potențiale Wiechert [4] . O considerație similară în cadrul teoriei generale a relativității duce la același rezultat până la termeni de ordinul [5] .

Relativitatea generală și alte teorii relativiste

În Teoria Generală a Relativității (GR) în spațiul gol, viteza limită a gravitației este egală cu viteza luminii [6] [7] [8] . În GR, potențialele câmpului gravitațional sunt componentele tensorului metric , astfel încât câmpul gravitațional este identificat în esență cu câmpul metric.

În teoriile cuantice ale gravitației , viteza gravitației înseamnă viteza gravitonilor ca cele mai mici particule (cuante) ale câmpului. De obicei este foarte aproape de viteza luminii sau coincide cu aceasta.

În multe teorii alternative ale gravitației , viteza de propagare a acesteia poate diferi semnificativ de viteza luminii, astfel încât măsurarea directă a vitezei gravitației este un test al eficienței acestor teorii.

Experimente pentru determinarea vitezei gravitației

Viteza gravitației poate fi determinată de rata de transmitere a influenței câmpului gravitațional asupra rezultatelor oricăror măsurători. Acest mod poate fi folosit în experimente de înaltă precizie pentru a măsura timpul de întârziere al trecerii semnalelor luminoase și radio în câmpul gravitațional al unui corp masiv în mișcare.

Deci, în 2002, Kopeikin și Fomalont au efectuat un experiment [9] [10] bazat pe interferometrie radio cu o linie de bază extra lungă , în care radiația de la un quasar îndepărtat QSO J0842+1835 care trecea în apropierea unui corp masiv - Jupiter , a fost înregistrată de un lanț de radiotelescoape de pe Pământ [11] .

Datorită mișcării periodice a lui Jupiter pe orbită în jurul Soarelui cu o viteză medie de 13,1 km/s, are loc o schimbare periodică a câmpului gravitațional la punctele de referință ale Sistemului Solar . O modificare a metricii (atât din cauza unei schimbări a locației planetei, cât și datorită vitezei de mișcare a acesteia) are loc cu o întârziere asociată cu viteza limitată a gravitației. Luarea în considerare a acestei întârzieri în analiza experimentului dă o viteză gravitațională apropiată ca magnitudine de viteza luminii, cu o precizie de aproximativ 20%. Rezultatul obținut necesită o confirmare independentă, întrucât nu toți fizicienii relativiști sunt de acord cu interpretarea experimentului [12] .

Pe 11 februarie 2016, a fost anunțată descoperirea experimentală a undelor gravitaționale de către colaborările LIGO și VIRGO [13] [14] [15] . O analiză a efectului evenimentului GW150914 asupra dispersiei undelor gravitaționale în funcție de frecvență nu contrazice ipoteza unei mase gravitonului zero și coincidența vitezei acesteia cu viteza luminii pentru extensii ipotetice ale relativității generale (estimare superioară pentru masa gravitonului: m g ≤ 1,2 × 10 −22 eV/c 2 , corespunde estimării inferioare pentru viteza pentru o frecvență de 35 Hz : v g /c ≤ 1 - 10 -18 ) [16]

O altă modalitate de a măsura viteza gravitației este asociată cu fixarea undelor gravitaționale de la surse stelare îndepărtate simultan cu un semnal luminos. Prima astfel de măsurare a fost obținută pentru unda gravitațională GW170817 . Judecând după acest eveniment, abaterea vitezei undelor gravitaționale de la viteza luminii, dacă există o astfel de abatere, se află în intervalul de la −3×10 −15 la +0,7×10 −15 . Întrucât diferența așteptată între indicii de refracție și dispersia mediului intergalactic este nesemnificativă, atunci, în cadrul erorii, nu s-au găsit diferențe față de viteza luminii [17] .

Note

  1. ↑ PS Laplace Mecanique celeste, 4, livre X Paris, 1805.
  2. ↑ Bogorodsky A.F. Capitolul 2 // Gravitația universală. - Kiev: Naukova Dumka , 1971.
  3. ↑ Citat din cartea: Boris Nikolaevici Vorontsov-Velyaminov. Laplace. — M .: Zhurgazobedinenie, 1937.
  4. ↑ Feynman tratează această problemă în volumul 6 din The Feynman Lectures on Physics , capitolul 21, § 1.
  5. ↑ Bogorodsky A.F. Capitolul 5, § 15 // Gravitația universală. - Kiev: Naukova Dumka, 1971.
  6. ↑ A. N. Temchin. Sec. 7.1. Unde și suprafețe caracteristice, viteze de propagare a undelor ale metricii // Ecuații Einstein pe o varietate . - M. : Editorial URSS, 1999. - S.  98 -102. — 160 s. — ISBN 5-88417-173-0 .
  7. ↑ Landau L. D., Lifshits E. M. Fizica teoretică: Proc. alocație: pentru universități. În 10 vol. T. II. Teoria câmpului. - Ed. a 8-a, stereo. — M.: FIZMATLIT, 2003. — 536 p. - ISBN 5-9221-0056-4 (vol. II). - § 109. Undă gravitațională puternică.
  8. ↑ Yvonne Choquet-Bruhat. Relativitatea generală și ecuațiile  lui Einstein . - Oxford University Press, 2009. - P.  170 . — 812p. — (Monografii matematice din Oxford). — ISBN 978-0199230723 .
  9. ↑ Viteza gravitației măsurată Copie de arhivă din 17 aprilie 2008 pe Wayback Machine https://archive.today/20141130041003/http://www.membrana.ru/particle/4690 date=2014.11.30 }} // membrana, ianuarie 8, 2003
  10. ↑ Limita fundamentală a vitezei gravitației și măsurarea acesteia, S.M. Kopeikin . Consultat la 18 octombrie 2014. Arhivat din original pe 8 octombrie 2014.
  11. ↑ Fomalont EB, Kopeikin SM Măsurarea deviației luminii de la Jupiter: Rezultate experimentale (2003), Astrophys. J., 598, 704. (astro-ph/0302294)
  12. ↑ Prezentare generală pe site-ul Universității St. Louis Arhivat 11 septembrie 2008 la Wayback Machine 
  13. ↑ UNDELE GRAVITAȚIONALE DETECTE LA 100 DE ANI DUPĂ PREVIZIA LUI  EINSTEIN . FECIOARĂ. Consultat la 11 februarie 2016. Arhivat din original pe 16 februarie 2016.
  14. ↑ Emanuele Berti. Punct de vedere: Primele sunete ale fuzionarii  găurilor negre . Physical Review Letters (11 februarie 2016). Consultat la 11 februarie 2016. Arhivat din original pe 12 februarie 2016.
  15. ↑ B. P. Abbott (Ligo Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) și colab. Observarea undelor gravitaționale dintr-o fuziune binară a găurii negre  (engleză)  // Physical Review Letters  : journal. - 2016. - Vol. 116 , nr. 6 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 . Arhivat din original pe 12 februarie 2016.
  16. ^ Abbott, Benjamin P. Teste de relativitate generală cu GW150914 . LIGO (11 februarie 2016). Consultat la 12 februarie 2016. Arhivat din original la 24 decembrie 2018.
  17. ↑ Abbott BP și colab. (Colaborare științifică LIGO, colaborare Virgo, monitor Fermi Gamma-ray Burst și INTEGRAL). Unde gravitaționale și raze gamma dintr-o fuziune a stelei neutronice binare: GW170817 și GRB 170817A // The Astrophysical Journal. - 2017. - Vol. 848.-P. L13. doi : 10.3847 /2041-8213/aa920c .