引力的传播速度有多快?
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-05-21
牛顿在17世纪发现万有引力定律之后,他成功地解释了天体的运动规律以及地球上的引力现象。牛顿认为,引力作用是瞬间完成的。因为万有引力定律表明,无论距离多远的物体,都会存在引力,与时间无关。
到了20世纪初,爱因斯坦提出了描述引力的广义相对论,并指出引力的传播速度是有限,与光速相等。事实上,牛顿也认为,引力和光一样有着相同的传播速度,只是这个速度是无限快。牛顿解释道,如果有一天太阳突然从太阳系中心消失,那所有的行星瞬间就会沿着轨道切线方向飞出去。
牛顿引力理论的问题
根据牛顿引力理论,引力无限延伸意味着尽管物体之间相隔很远,就算是位于宇宙的另一个角落,物体之间都会产生引力作用。爱因斯坦并不是第一个不同意这个观点的人。早在1859年,天文学家奥本?勒维耶(计算出海王星轨道)在水星的轨道上发现了一个异常,水星轨道近日点进动的数值与牛顿引力理论的预言有些差别。
拉普拉斯是第一个尝试去计算引力速度的人,他重新定义引力为场,结果得到引力的速度至少是光速的700万倍。拉普拉斯首先意识到,引力并非一种超距作用,而是有一个有限的传播速度。
直到20世纪初,爱因斯坦创立广义相对论之后,他发现,引力的传播速度并不是无限快,也不是超光速,而是与光速相等,其大小约为29.98万公里/秒。
引力传播速度与光速相等的证据是什么?
根据广义相对论的引力场方程,引力并不是真正意义上的力,它是质量弯曲时空之后产生的几何效应,它在空间中的传播速度就是光速。
广义相对论还预言,质量在空间中加速运动时,会导致空间曲率不断发生波动,从而产生以光速运动的引力波。理论上,任何物体的加速度都会释放出引力波,但只有一些极端宇宙高能事件才会辐射出足够强大的引力波。
在广义相对论做出预言之后,由于引力的相互作用太弱,超出了当时的技术范围,并没能直接在实验室中进行测量。直到2015年,引力波激光干涉天文台(LIGO)探测到远在13亿光年之外的两个黑洞发生碰撞释放出了引力波。这场碰撞事件极为强烈,引力波在太空中传播了13亿光年之外到达地球,最终被LIGO探测到。此次事件首次直接证实了爱因斯坦对引力波的预言,这也是最为重要的广义相对论预言之一。
引力波的存在更进一步证实了广义相对论,也表明引力的传播速度正是光速。而在2017年,首次探测到的双中子星合并事件(距离地球1.3亿光年)表明,引力波与电磁波几乎同时抵达地球,这又是引力以光速传播的最好证明。需要注意的是,从此次双中子星合并事件来看,引力波与电磁波并非在完全相同的时间到达地球,但这是由其他原因造成,不是引力波与电磁波的速度不同造成的。
因此,如果太阳突然消失,地球并不会马上做出反应。而是要在8.3分钟之后,地球上的人才会注意到太阳消失了,并且同时地球会沿着切线方向飞出原有的公转轨道。
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