重力和光的传播一样快吗?

首先要说的是,实验室从没直接测出重力的速度——重力相互作用太微弱,现有的实验室技术水平测不到。因此,要通过太空观测推算“重力的速度”,而且推算结果取决于使用哪种重力模式描述这些观测。


在简单牛顿模型中,重力的传播是即时的:重物产生的力直接指向那个物体的当前位置。例如,尽管太阳距离地球五百光秒,牛顿重力描述的地球上的力是指向太阳“现在的”位置,而不是五百秒前的位置。在牛顿重力中加入“光传播延迟”(术语为“滞后时间”)会让绕轨圈数变得不稳定,导致与太阳系观测明显相矛盾的预测结果。


另一方面,在广义相对论中,重力以光速传播;也就是说,重物的运动在以光速向外移动的时空曲率上产生了弯曲。这也许和之前的太阳系观测描述相矛盾,但要记住广义相对论与牛顿重力在概念上非常不同,因此不能简单地直接比较。严格说来,在广义相对论中重力不是一种“力”,所以用速度和方向进行描述不靠谱。然而,对于弱场理论则可以用一种牛顿语言来说明。如果那样,可以发现广义相对论中的“力”并非很集中——它不直接指向重力场的源头——还有它不但取决于位置也取决于速度。最终结果是传播延迟效应几乎被完全取消,所以广义相对论极其接近地重现了牛顿结果。


如果能注意到电磁学中也有类似效应,这种取消看起来可能就没那么奇怪了。如果一个带电粒子正在移动,它产生的一个力指向当前位置,而非滞后位置;尽管电磁相互作用一定以光速移动。在广义相对论中,相互作用本质上的微妙之处“合谋”掩盖了传播延迟效应。需要强调的是不管在电磁学还是广义相对论,这种效应都不是临时产生的,而是有方程式的。还有,这种效应的取消几乎只存在于“匀”速。如果一个带电粒子或引力物体忽然加速,电场或重力场中的这种“变化”以光速向外传播。


由于这点比较晦涩,所以值得稍微技术性地深入讲解一下。假设有A和B两个物体,以电力或重力吸引力存在于轨道里。只要作用在A上的力直接指向B,反之亦然,就有可能形成稳定的轨道。另一方面,如果作用于A的力指向B的滞后(传播时间延迟)位置,那么会在A的运动方向增加一个新的力, 导致轨道不稳定。这种不稳定又会导致A-B系统的机械角动量的变化。但是“总的”角动量是守恒的,所以只有当A-B系统的一部分角动量被电磁辐射或重力辐射带走时,才会有这种变化。


现在,在电动力学中,以恒定速度运动的电荷不辐射。(从技术上说,最低阶辐射是偶极辐射,它取决于加速度。)所以,只要A大体上是在匀速运动,A就不会丢失角动量。为了理论的一致, “必须”有补偿项,这种补偿项能部分取消由滞后造成的轨道不稳定性。是这样的:计算显示,作用于A的力没指向B的滞后位置,而是指向B的“线性外推”滞后位置。相似地,在广义相对论中,以恒定加速度运动的质量不辐射(最低阶辐射是四极辐射),所以为了一致性,必须更彻底地取消滞后效应。这也是在广义相对论中解运动方程时会发现的事。


虽然目前的观测还没提供关于重力速度的直接无关测量方法,但通过观察双星脉冲星PSR 1913+16,可以在广义相对论的指导下做测试。这个双星系统的轨道正在逐渐衰减,这种现象是由于逃逸重力辐射造成的能量损失造成的。但在任何场论中,辐射与场传播的有限速度紧密相关,重力辐射造成的轨道变化也可以同等地被看作是有限传播速度造成的阻尼。(在以上讨论中,这个阻尼代表失败的“滞后”以及“离心、速度相关”效应与完全取消效应之比。)


这个阻尼比率是可以计算的,并且有人发现它灵敏地取决于重力速度。重力阻尼能被测量这件事强烈暗示重力传播速度也不是无限的。如果可以接受广义相对论的计算框架,那么阻尼可以用来计算速度,而且实际测量结果确定重力速度和光速相差不到1%。(对其他至少一个双星脉冲星系统PSR B1534+12的测量确认了这一结果,尽管距离太远精确度要低一些)


将来能直接测量重力速度吗?一种可能是通过检测来自超新星的重力波。中微子暴期间检测到的重力辐射,以及随后对超新星的视觉识别,被认为是验证重力与光同速的强力证据。然而, 除非附近很快出现一颗超新星,不然还要过很久才能有足够灵敏的重力波检测器。


参考资料


1.WJ百科全书


2.天文学名词


3. Steve Carlip- Cornucopia


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