Rychlost gravitace

Rychlost gravitace  je rychlost šíření gravitačních vlivů , poruch a vlnění .

Rychlost gravitace ve fyzikálních teoriích

Klasická fyzika

V Newtonově teorii gravitace není rychlost gravitace zahrnuta v žádném vzorci, protože je považována za nekonečně velkou. Laplace ve svých pracích o nebeské mechanice [1] ukázal, že pokud gravitační interakce mezi dvěma tělesy nepůsobí okamžitě (což je ekvivalentní zavedení potenciálu závislého na rychlosti), pak hybnost nebude zachována v systému pohybu. planety - část hybnosti se přenese do gravitačního pole, podobně jako se to děje při elektromagnetické interakci nábojů v elektrodynamice. Z newtonského hlediska, pokud se gravitační vliv přenáší konečnou rychlostí a nezávisí na rychlostech těles, pak by všechny body planety měly být přitahovány k bodu, kde bylo Slunce o něco dříve, a ne k jeho současné umístění. Na tomto základě Laplace ukázal, že excentricita a hlavní poloosy oběžných drah v Keplerově problému s konečnou gravitační rychlostí se musí s časem zvětšovat – prožívat sekulární změny. Z horních limitů změn těchto veličin, vyplývajících ze stability sluneční soustavy a pohybu měsíce, Laplace ukázal, že rychlost šíření gravitační newtonovské interakce nemůže být nižší než 50 milionů rychlostí světla [2] .

Přenáší se přitažlivost z jednoho těla do druhého okamžitě? Doba přenosu, pokud by nám byla znatelná, by se projevila převážně jako sekulární zrychlení v pohybu Měsíce. Navrhl jsem tento způsob vysvětlení zrychlení pozorovaného při zmíněném pohybu a zjistil jsem, že k uspokojení pozorování je třeba přisoudit přitažlivé síle rychlost sedm milionůkrát větší než rychlost světelného paprsku. A protože nyní je příčina sekulární rovnice - Měsíc dobře známá, můžeme říci, že přitažlivost se přenáší rychlostí nejméně padesátimilionkrát vyšší než rychlost světla. Bez obav z nějaké znatelné chyby tedy můžeme brát přenos gravitace jako okamžitý.

- P. S. Laplace Expozice systému světa Paříž, 1797. [3]

Laplaceova metoda je správná pro přímé zobecnění Newtonovy gravitace, ale nemusí být použitelná pro složitější modely. Takže například v elektrodynamice se pohybující náboje přitahují/odpuzují nikoli z viditelných pozic jiných nábojů, ale z pozic, které by aktuálně zaujímaly, kdyby se pohybovaly rovnoměrně a přímočaře z viditelných pozic – to je vlastnost Lienarda -Wiechertovy potenciály [4] . Podobná úvaha v rámci obecné teorie relativity vede ke stejnému výsledku až k řádovým členům [5] .

Obecná teorie relativity a další relativistické teorie

V Obecné teorii relativity (GR) v prázdném prostoru je mezní rychlost gravitace rovna rychlosti světla [6] [7] [8] . V GR jsou potenciály gravitačního pole součástí metrického tenzoru , takže gravitační pole je v podstatě identifikováno s metrickým polem.

V kvantových teoriích gravitace rychlost gravitace znamená rychlost gravitonů jako nejmenších částic (kvant) pole. Obvykle je velmi blízko rychlosti světla nebo se s ní shoduje.

V mnoha alternativních teoriích gravitace se rychlost jejího šíření může výrazně lišit od rychlosti světla, takže přímé měření rychlosti gravitace je testem účinnosti těchto teorií.

Experimenty na určení rychlosti gravitace

Rychlost gravitace může být určena rychlostí přenosu vlivu gravitačního pole na výsledky jakýchkoliv měření. Tento způsob lze použít ve vysoce přesných experimentech k měření doby zpoždění průchodu světelných a rádiových signálů v gravitačním poli nějakého pohybujícího se masivního tělesa.

V roce 2002 tedy Kopeikin a Fomalont provedli experiment [9] [10] založený na rádiové interferometrii s extra dlouhou základní linií , ve kterém bylo zářením ze vzdáleného kvasaru QSO J0842+1835 procházejícího v blízkosti masivního tělesa - Jupiteru zaznamenáno řetěz radioteleskopů na Zemi [11] .

Vlivem periodického pohybu Jupiteru na oběžné dráze kolem Slunce s průměrnou rychlostí 13,1 km/s dochází v referenčních bodech Sluneční soustavy k periodické změně gravitačního pole . Ke změně metriky (jak v důsledku změny polohy planety, tak v důsledku rychlosti jejího pohybu) dochází se zpožděním spojeným s omezenou rychlostí gravitace. Zohlednění tohoto zpoždění v analýze experimentu dává gravitační rychlost blízkou velikosti rychlosti světla s přesností asi 20 %. Získaný výsledek vyžaduje nezávislé potvrzení, protože ne všichni relativističtí fyzici souhlasí s interpretací experimentu [12] .

11. února 2016 byl oznámen experimentální objev gravitačních vln spoluprací LIGO a VIRGO [13] [14] [15] . Analýza vlivu události GW150914 na rozptyl gravitačních vln v závislosti na frekvenci není v rozporu s hypotézou o hmotnosti nulového gravitonu a o shodě jeho rychlosti s rychlostí světla pro hypotetická rozšíření obecné teorie relativity (horní odhad pro hmotnost gravitonu: m g ≤ 1,2 × 10 −22 eV/c 2 , odpovídá spodnímu odhadu pro rychlost pro frekvenci 35 Hz : vg /c ≤ 1 - 10 -18 ) [16]

Další způsob měření rychlosti gravitace je spojen s fixací gravitačních vln ze vzdálených hvězdných zdrojů současně se světelným signálem. První takové měření bylo získáno pro gravitační vlnu GW170817 . Soudě podle této události leží odchylka rychlosti gravitačních vln od rychlosti světla, pokud taková odchylka existuje, v rozmezí od -3×10 −15 do +0,7×10 −15 . Vzhledem k tomu, že očekávaný rozdíl mezi indexy lomu a disperzí mezigalaktického prostředí je nevýznamný, nebyly v rámci chyby nalezeny žádné rozdíly od rychlosti světla [17] .

Poznámky

  1. ↑ PS Laplace Mecanique celeste, 4, livre X Paris, 1805.
  2. ↑ Bogorodsky A.F. Kapitola 2 // Univerzální gravitace. - Kyjev: Naukova Dumka , 1971.
  3. ↑ Citace z knihy: Boris Nikolajevič Voroncov-Veljaminov. Laplace. — M .: Zhurgazobedinenie, 1937.
  4. ↑ Feynman se tímto problémem zabývá v 6. dílu The Feynman Lectures on Physics , kapitola 21, § 1.
  5. ↑ Bogorodsky A.F. Kapitola 5, § 15 // Univerzální gravitace. - Kyjev: Naukova Dumka, 1971.
  6. ↑ A. N. Temchin. Sek. 7.1. Vlny a charakteristické plochy, rychlosti šíření vln metrických // Einsteinovy ​​rovnice na varietě . - M. : Editorial URSS, 1999. - S.  98 -102. — 160 s. — ISBN 5-88417-173-0 .
  7. ↑ Landau L. D., Lifshits E. M. Theoretical Physics: Proc. příspěvek: Pro vysoké školy. V 10 dílech T. II. Teorie pole. - 8. vydání, stereo. — M.: FIZMATLIT, 2003. — 536 s. - ISBN 5-9221-0056-4 (sv. II). - § 109. Silná gravitační vlna.
  8. ↑ Yvonne Choquet-Bruhat. Obecná teorie relativity a Einsteinovy ​​rovnice  . - Oxford University Press, 2009. - S.  170 . — 812p. — (Oxfordské matematické monografie). — ISBN 978-0199230723 .
  9. ↑ Gravitační rychlost měřená Archivní kopie ze 17. dubna 2008 na Wayback Machine https://archive.today/20141130041003/http://www.membrana.ru/particle/4690 date=2014.11.30 }} // membrana, leden 8, 2003
  10. ↑ Základní limit rychlosti gravitace a její měření, S.M. Kopeikin . Získáno 18. října 2014. Archivováno z originálu 8. října 2014.
  11. ↑ Fomalont EB, Kopeikin SM The Measurement of the Light Deflection from Jupiter: Experimental Results (2003), Astrophys. J., 598, 704. (astro-ph/0302294)
  12. ↑ Přehled na webu St. Louis University Archivováno 11. září 2008 na Wayback Machine 
  13. ↑ GRAVITAČNÍ VLNY ZJIŠTĚNY 100 LET PO EINSTEINově  PŘEDPOVĚDI . PANNA. Získáno 11. února 2016. Archivováno z originálu 16. února 2016.
  14. ↑ Emanuele Berti. Pohled: První zvuky sloučení černých  děr . Dopisy fyzického přehledu (11. února 2016). Získáno 11. února 2016. Archivováno z originálu 12. února 2016.
  15. ↑ B. P. Abbott (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) a kol. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger  (anglicky)  // Physical Review Letters  : journal. - 2016. - Sv. 116 , č. 6 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 . Archivováno z originálu 12. února 2016.
  16. ↑ Abbott, Benjamin P. Testy obecné relativity s GW150914 . LIGO (11. února 2016). Staženo 12. února 2016. Archivováno z originálu 24. prosince 2018.
  17. ↑ Abbott BP et al. (LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, Fermi Gamma-ray Burst Monitor a INTEGRAL). Gravitační vlny a gama záření ze sloučení binárních neutronových hvězd: GW170817 a GRB 170817A // The Astrophysical Journal. - 2017. - Sv. 848.-P. L13. doi : 10.3847 /2041-8213/aa920c .