Apakah Kelajuan Graviti?

Anonim

Selepas mengira orbit satu-satunya komet yang kelihatan kepada mata kasar yang mungkin melayang melintasi langit malam dua kali dalam seumur hidup, Edmond Halley menjadi sangat tertarik oleh kekuatan graviti. Apabila pada tahun 1684 dia bertemu dengan Newton untuk membincangkan bukti-bukti hukum gerakan planet Kepler, dia terkejut mendapati Newton telah menyelesaikannya. Sebenarnya, Newton, polymath dia, telah membuktikan undang-undang 4 tahun sebelum Halley meminta bantuannya. Pada 22, dia telah membuat kalkulus secara bebas dengan kadar yang sama kita belajar di sekolah menengah dan kejuruteraan untuk kemudian menentukan mengapa planet berputar mengelilingi matahari dalam orbit elips.

Dikagumi oleh fakta bahawa Newton tidak menganggap penerbitan buktinya, Halley memutuskan untuk menjadi penaungnya. Principia Newton , yang akan diturunkan sebagai salah satu karya yang paling ketara dalam sejarah umat manusia, diterbitkan pada perbelanjaan Halley. Walau bagaimanapun, pengkritik yang tidak percaya tentang tarikan graviti misteri itu mempersoalkan Newton mengenai mengapa buktinya bekerja; mengapa graviti berfungsi seperti yang dilakukannya? Jawapan Newton terhadap kritikannya " Saya tidak bingkai hipotesis " dilampirkan kepada edisi kedua bukunya.

Berabad-abad kemudian, Einstein tidak hanya membebaskan apa yang menyebabkan tarikan graviti misterius, tetapi ia juga menetapkan batas atas jangkauannya. Newton percaya bahawa graviti mengembara pada kelajuan yang sama seperti cahaya yang dipercayai semasa masa kuno - tak terhingga. Dia menjelaskan bahawa jika Matahari tiba-tiba lenyap dari pusat Sistem Tata Surya, semua planet akan segera dilepaskan ke ruang angkasa, ke arah halaju tangen seketika mereka. Walau bagaimanapun, Einstein tidak bersetuju.

Masalah dengan graviti Newtonian

The Prediction Perihelion of Mercury

Percubaan pertama untuk mengira kelajuan graviti dibuat oleh Laplace, yang mengubah gaya graviti sebagai medan atau cecair. Dia mengira kelajuan menjadi sekurang-kurangnya 7 juta kali kelajuan cahaya. Walau bagaimanapun, kehalusan kelajuan graviti, tanpa mengira ketenangannya, menimbulkan masalah. Orbit yang stabil di antara dua badan hanya boleh dicapai jika daya pada satu badan, katakan A, terus ke arah badan yang lain, katakan B. Kekuatan graviti di antara kedua-dua badan ini akan mempengaruhi satu sama lain dengan segera jika graviti bergerak pada kelajuan tak terhingga, walaupun badan A dan B dipisahkan oleh jarak astronomi. Walau bagaimanapun, kehalusan akan menyebabkan lag.

Fikirkan tentang kuasa-kuasa graviti yang ditransmisikan oleh dua mayat sebagai anak panah ditembak oleh dua pemanah. Jika anak panah bergerak pada kelajuan yang terbatas, anak panah akan terlepas sasaran mereka kerana sasaran, yang berada dalam revolusi berterusan, akan bergerak ke depan. Ini akan menjejaskan orbit sebagai daya terhasil dari sistem ini yang melibatkan daya sentrifugal badan dan tarikan graviti akan menyimpang daripada trajektorinya, menyebabkan badan secara beransur-ansur melayang keluar, berpotensi memusnahkan seluruh Sistem Suria.

Masalahnya dengan kelajuan graviti Newtonian yang terhingga

Untuk memukul sasarannya, pemanah mesti membayar ganti rugi dengan menembak sedikit di hadapan. Sekiranya graviti tidak dianggap sebagai satu anak tunggal, tetapi sebatang anak panah yang tersebar ke semua arah, maka salah satu anak panah ini bergerak ke arah kanan badan (dengan asumsi mereka mengorbit mengikut arah jam) akan memukul sasaran sasarannya. Perkara yang sama boleh dikatakan untuk badan yang lain. Apabila kedua-dua anak panah bertentangan adalah sejajar dan berserenjang dengan daya sentrifugal yang sama dari kedua-dua badan, orbit yang stabil dicapai, walaupun kelewatan.

Gelombang graviti sebagai anak panah tersebar

Hujah itu dikemukakan oleh ahli astronomi berprestij, Tom Van Flandern, yang mengira kelajuan anak panah menjadi 20 bilion kali kelajuan cahaya, yang adil dianggap sebagai seketika. Walau bagaimanapun, Einstein dalam Teori Relatif Umumnya mendakwa bahawa kelajuan gelombang anak panah ini sama dengan kelajuan cahaya - kira-kira 186, 000 batu sesaat.

Kenapa kelajuan graviti sama dengan kelajuan cahaya?

LIGO (Observatori Gelombang Gravitational Laser Interferometer) (Photo Credit: ligo.caltech.edu)

Semasa meneliti untuk artikel ini, saya menemui kertas akademik yang diterbitkan pada tahun 1998 yang bermula dengan "kelajuan graviti belum diukur secara langsung di makmal - interaksi graviti terlalu lemah, dan penjelasan seperti itu melebihi kemampuan teknologi sekarang.", hampir 20 tahun kemudian, penyelidik di LIGO mengesan gelombang graviti yang mengakibatkan berlanggar bintang teras dua bintang 130 juta tahun cahaya di galaksi yang jauh. Letupan itu sangat dahsyat bahawa cahaya yang menyilaukan dan gegaran graviti mengembara di seluruh alam dan dapat dikesan walaupun di sini.

Sekiranya kelajuan graviti adalah sama dengan kelajuan cahaya, maka kedua-dua isyarat mesti diterima pada masa yang sama. Ini akan menjadi pengesahan eksperimen pertama sama ada kelajuan graviti adalah sama dengan kelajuan cahaya, seperti yang didakwa oleh Einstein, sesuatu ahli fizik telah mencubit sejak dia mula-mula membuat tuntutan tidak masuk akalnya. Ini akan membayangkan bahawa jika Matahari tiba-tiba lenyap dari pusat Sistem Tata Surya, kemusnahan bumi akan bermula hanya selepas 8 minit, jumlah masa yang sama yang mengambil cahaya matahari untuk mencapai Bumi.

Walau bagaimanapun, ini tidak berlaku. Perlanggaran besar itu juga membawa radiasi elektromagnet lain, seperti sinaran gamma, yang mengganggu eksperimen. Menurut satu kertas, kelewatan antara ketibaan cahaya dan graviti adalah sekejap detik, yang, apabila kita mempertimbangkan jarak yang mereka bawa, hampir tidak relevan. Eksperimen kini telah mengecilkan kelajuan graviti dalam masa 1% dari kelajuan cahaya! Ini juga menandakan kali pertama apabila seseorang tidak mengucapkan kata-kata "Kerja yang baik, Einstein!" Dengan sardikan.