Painovoiman nopeus

Painovoiman nopeus  on gravitaatiovaikutusten , häiriöiden ja aaltojen etenemisnopeus .

Painovoiman nopeus fysikaalisissa teorioissa

Klassinen fysiikka

Newtonin painovoimateoriassa painovoiman nopeus ei sisälly mihinkään kaavaan, koska sitä pidetään äärettömän suurena. Taivaanmekaniikkaa koskevissa töissään [1] Laplace osoitti, että jos kahden kappaleen välinen gravitaatiovuorovaikutus ei toimi välittömästi (mikä vastaa nopeudesta riippuvan potentiaalin käyttöönottoa), liikemäärä ei säily liikejärjestelmässä. planeetat - osa liikemäärästä siirtyy gravitaatiokenttään, samalla tavalla kuin se tapahtuu varausten sähkömagneettisessa vuorovaikutuksessa sähködynamiikassa. Newtonin näkökulmasta, jos gravitaatiovaikutus välittyy rajallisella nopeudella eikä se riipu kappaleiden nopeuksista, niin planeetan kaikki pisteet tulisi vetää siihen pisteeseen, jossa aurinko oli hieman aikaisemmin, eikä sen samanaikainen sijainti. Tällä perusteella Laplace osoitti, että Kepler-ongelman kiertoradan epäkeskeisyyden ja puolipääakseleiden, joissa on äärellinen gravitaationopeus, täytyy kasvaa ajan myötä - kokea maallisia muutoksia. Näiden aurinkokunnan vakaudesta ja kuun liikkeestä johtuvien suureiden muutosten ylärajoista Laplace osoitti, että Newtonin gravitaatiovuorovaikutuksen etenemisnopeus ei voi olla pienempi kuin 50 miljoonaa valonnopeutta [2] .

Välittyykö vetovoima kehosta toiseen välittömästi? Lähetysaika, jos se olisi meille havaittavissa, näkyisi pääasiassa maallisena kiihdytyksenä kuun liikkeessä. Ehdotin tätä keinoa selittääkseen mainitussa liikkeessä havaittua kiihtyvyyttä ja totesin, että havaintojen tyydyttämiseksi vetovoimalle on annettava nopeus seitsemän miljoonaa kertaa suurempi kuin valonsäteen nopeus. Ja koska nyt maallisen yhtälön syy - Kuu tunnetaan hyvin, voimme sanoa, että vetovoima välittyy nopeudella, joka on vähintään viisikymmentä miljoonaa kertaa valon nopeus. Siksi ilman pelkoa havaittavista virheistä voimme pitää painovoiman siirtymistä hetkellisenä.

- P. S. Laplace Maailman järjestelmän näyttely Pariisi, 1797. [3]

Laplacen menetelmä on oikea Newtonin painovoiman suorille yleistyksille, mutta ei välttämättä sovellu monimutkaisempiin malleihin. Joten esimerkiksi sähködynamiikassa liikkuvia varauksia vedetään/hylkitään ei muiden varausten näkyvistä asennoista, vaan asennoista, joissa ne tällä hetkellä olisivat, jos ne liikkuisivat tasaisesti ja suoraviivaisesti näkyvistä asennoista - tämä on Lienardin ominaisuus -Wiechertin potentiaalit [4] . Samanlainen pohdiskelu yleisen suhteellisuusteorian puitteissa johtaa samaan tulokseen luokkaa [5] asti .

Yleinen suhteellisuusteoria ja muut suhteellisuusteoriat

Yleisessä suhteellisuusteoriassa (GR) tyhjässä avaruudessa painovoiman rajanopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus [6] [7] [8] . GR:ssä gravitaatiokentän potentiaalit ovat metrisen tensorin komponentteja , joten gravitaatiokenttä tunnistetaan olennaisesti metrisen kentän kanssa.

Painovoiman kvanttiteorioissa painovoiman nopeus tarkoittaa gravitonien nopeutta kentän pienimpinä hiukkasina (kvanteina). Yleensä se on hyvin lähellä valonnopeutta tai osuu siihen.

Monissa vaihtoehtoisissa painovoimateorioissa sen etenemisnopeus voi poiketa merkittävästi valon nopeudesta, joten painovoiman nopeuden suora mittaus on näiden teorioiden tehokkuuden testi.

Kokeet painovoiman nopeuden määrittämiseksi

Painovoiman nopeus voidaan määrittää gravitaatiokentän vaikutuksen välittymisnopeudella minkä tahansa mittauksen tuloksiin. Tätä tapaa voidaan käyttää korkean tarkkuuden kokeissa mittaamaan valo- ja radiosignaalien kulun viivettä jonkin liikkuvan massiivisen kappaleen gravitaatiokentässä.

Joten vuonna 2002 Kopeikin ja Fomalont suorittivat kokeen [9] [10] , joka perustui radiointerferometriaan erittäin pitkällä perusviivalla , jossa säteily kaukaisesta kvasaarista QSO J0842+1835 , joka ohitti massiivisen kappaleen - Jupiterin - läheltä . radioteleskooppiketju maan päällä [11] .

Johtuen Jupiterin säännöllisestä liikkeestä Auringon kiertoradalla keskinopeudella 13,1 km / s, gravitaatiokentässä tapahtuu säännöllistä muutosta aurinkokunnan vertailupisteissä. Muutos metriikassa (sekä planeetan sijainnin muutoksesta että sen liikkeen nopeudesta johtuen) tapahtuu painovoiman rajoitettuun nopeuteen liittyvällä viiveellä. Tämän kokeen analyysin viiveen huomioon ottaminen antaa gravitaationopeuden, joka on lähellä valonnopeutta, noin 20 %:n tarkkuudella. Saatu tulos vaatii riippumattoman vahvistuksen, koska kaikki relativistiset fyysikot eivät ole samaa mieltä kokeen tulkinnasta [12] .

11. helmikuuta 2016 LIGO- ja VIRGO-yhteistyön [13] [14] [15] kokeellisesta gravitaatioaaltojen löydöstä ilmoitettiin . Analyysi GW150914-tapahtuman vaikutuksesta gravitaatioaaltojen leviämiseen taajuudesta riippuen ei ole ristiriidassa hypoteesin kanssa nollagravitonimassasta ja sen nopeuden yhteensopivuudesta valon nopeuden kanssa yleisen suhteellisuusteorian hypoteettisille laajennuksille (ylempi arvio gravitonin massa: m g ≤ 1,2 × 10 -22 eV/c 2 , vastaa alempaa arviota nopeudelle taajuudella 35 Hz : v g /c ≤ 1 - 10 -18 ) [16]

Toinen tapa mitata painovoiman nopeutta liittyy kaukaisten tähtien lähteiden gravitaatioaaltojen kiinnittymiseen samanaikaisesti valosignaalin kanssa. Ensimmäinen tällainen mittaus saatiin gravitaatioaalto GW170817 . Tämän tapahtuman perusteella päätellen gravitaatioaaltojen nopeuden poikkeama valon nopeudesta, jos sellainen on olemassa, on välillä −3×10 −15 - +0,7×10 −15 . Koska odotettu ero intergalaktisen väliaineen taitekertoimien ja dispersion välillä on merkityksetön, niin virheen sisällä ei löydetty eroja valon nopeudesta [17] .

Muistiinpanot

  1. ↑ PS Laplace Mecanique celeste, 4, Livre X Paris, 1805.
  2. ↑ Bogorodsky A.F. Luku 2 // Universaali gravitaatio. - Kiova: Naukova Dumka , 1971.
  3. ↑ Lainaus kirjasta: Boris Nikolaevich Vorontsov-Velyaminov. Laplace. - M .: Zhurgazobedinenie, 1937.
  4. ↑ Feynman käsittelee tätä ongelmaa The Feynman Lectures on Physics -julkaisun 6. osan luvussa 21, § 1.
  5. ↑ Bogorodsky A.F. Luku 5, § 15 // Universaali gravitaatio. - Kiova: Naukova Dumka, 1971.
  6. ↑ A. N. Temchin. Sec. 7.1. Aallot ja ominaispinnat, metrijärjestelmän aallon etenemisnopeudet // Einstein Equations on a Manifold . - M. : Pääkirjoitus URSS, 1999. - S.  98 -102. – 160 s. — ISBN 5-88417-173-0 .
  7. ↑ Landau L.D., Lifshits E.M. Teoreettinen fysiikka: Proc. korvaus: Yliopistoille. 10 osassa T. II. Kenttäteoria. - 8. painos, stereo. — M.: FIZMATLIT, 2003. — 536 s. - ISBN 5-9221-0056-4 (osa II). - § 109. Vahva gravitaatioaalto.
  8. ↑ Yvonne Choquet-Bruhat. Yleinen suhteellisuusteoria ja Einsteinin yhtälöt  . - Oxford University Press, 2009. - s  . 170 . - 812 p. - (Oxford Mathematical Monographs). — ISBN 978-0199230723 .
  9. ↑ Painovoiman nopeus mitattu Arkistokopio 17. huhtikuuta 2008 Wayback Machinessa https://archive.today/20141130041003/http://www.membrana.ru/particle/4690 date= 2014.11.30 }} // membrana, tammikuu 8, 2003
  10. ↑ Painovoiman nopeuden perusraja ja sen mittaus, S.M. Kopeikin . Haettu 18. lokakuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 8. lokakuuta 2014.
  11. ↑ Fomalont EB, Kopeikin SM Valon taipuman mittaus Jupiterista: kokeelliset tulokset (2003), Astrophys. J., 598, 704. (astro-ph/0302294)
  12. ↑ Katsaus St. Louis Universityn verkkosivuille Arkistoitu 11. syyskuuta 2008 Wayback Machinessa 
  13. ↑ GRAVITAATIOAALLOT HAVAITTU 100 VUOTTA EINSTEININ ENNUSTUKSEN  JÄLKEEN . NEITSYT. Haettu 11. helmikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 16. helmikuuta 2016.
  14. ↑ Emanuele Berti. Näkökulma: mustien aukkojen yhdistämisen ensimmäiset äänet  . Physical Review Letters (11. helmikuuta 2016). Haettu 11. helmikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 12. helmikuuta 2016.
  15. ↑ B. P. Abbott (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) et ai. Gravitaatioaaltojen havainnointi binaarisesta mustan aukon sulautumisesta  (englanniksi)  // Physical Review Letters  : Journal. - 2016. - Vol. 116 , nro. 6 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 . Arkistoitu alkuperäisestä 12. helmikuuta 2016.
  16. ↑ Abbott, Benjamin P. Yleisen suhteellisuusteorian testit GW150914:n kanssa . LIGO (11. helmikuuta 2016). Haettu 12. helmikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 24. joulukuuta 2018.
  17. ↑ Abbott BP et ai. (LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, Fermi Gamma-ray Burst Monitor ja INTEGRAL). Gravitaatioaallot ja gammasäteet binäärineutronitähtien sulautumisesta: GW170817 ja GRB 170817A // The Astrophysical Journal. - 2017. - Vol. 848.-P. L13. doi : 10.3847 /2041-8213/aa920c .