Чому гравітація рухається зі швидкістю світла?
Якщо подивитися на Сонце через 150 мільйонів кілометрів космосу, який розділяє наш світ від найближчої зірки, світло, який ви бачите, не показує Сонце на поточний момент, а яким воно було 8 хвилин і 20 секунд тому. Це тому, що світ рухається не миттєво (а зі швидкістю світла, хаха): його швидкість становить 299 792,458 кілометра в секунду (подробиці цього неймовірного факту тут). Саме такий час треба світлу, щоб подолати шлях від фотосфери Сонця до нашої планети. Але силі тяжіння не обов’язково треба поводитися так само, як передбачала теорія Ньютона, гравітаційна сила являє собою миттєве явище і відчувається всіма об’єктами з масою у Всесвіті, через всі ці величезні космічні відстані, одночасно.
Чи насправді це Так? Якщо Сонце б миттєво зникла, полетіла б Земля відразу ж по прямій лінії або ж продовжила обертатися навколо місця розташування Сонця протягом ще 8 хвилин і 20 секунд? З загальної теорії відносності, відповідь ближче до другого варіанту, бо не маса визначає гравітацію, а викривлення простору, яка визначається сумою всієї матерії та енергії у ньому. Якщо б Сонце зникло, простір стало б не викривленим, а плоским, але ця трансформація була б миттєвою. Оскільки простір-час — це тканина, перехід став би якимось «переливанням», яке відправило би гігантську брижі — гравітаційні хвилі — через Всесвіт, подібну брижів від кинутого в ставок каменю.
Швидкість цієї пульсація визначається так само, як і швидкість всього іншого в ЗТВ: її енергією і масою. Оскільки гравітаційні хвилі не володіють масою, але мають кінцеву енергію, вони повинні рухатися зі швидкістю світла. А це означає, що Земля притягається не до того місця, де знаходиться в просторі Сонце, а до того, де воно було трохи більше восьми хвилин тому.
Якщо б це була єдина різниця між теоріями гравітації Ейнштейна і Ньютона, ми негайно уклали б, що Ейнштейн помилявся. Орбіти планет так добре вивчені і так точно і довго записувалися (з кінця 1500-х!), що якщо б гравітація просто притягувала планети до місця Сонця зі швидкістю світла, передбачені положення планет сильно не відповідали б їх актуального стану. Необхідна блискуча логіка, щоб зрозуміти, що закони Ньютона вимагають неймовірної швидкості гравітації такої точності, що якщо б це було єдине обмеження, швидкість гравітації повинна була б бути більше ніж у 20 мільярдів разів швидше швидкості світла.
Але в ЗТВ є ще один шматок головоломки, що має велике значення: орбітальна швидкість планети по мірі її руху навколо Сонця. Земля, наприклад, теж рухається, «погойдуючись на хвилях гравітації і часто опускаючись не там, де порушувалася. В наявності два ефекти: швидкість кожного об’єкта впливає на те, як він відчуває силу гравітації, а з нею і зміни в гравітаційних полях.
Але що особливо цікаво, так це те, що зміни у гравітаційному полі за кінцевої швидкості гравітації і ефекти залежних від швидкості взаємодій майже врівноважуються. Саме неточність цієї рівноваги дозволяє нам визначити експериментально, яка теорія відповідає нашій Всесвіту: ньютонова модель «нескінченної швидкості гравітації» або эйнштейнова модель «швидкість гравітації дорівнює швидкості світла». В теорії, ми знаємо, що швидкість гравітації повинна відповідати швидкості світла. Але гравітаційна сила Сонця занадто слабка, щоб виміряти цей ефект. Насправді, змінити його дуже складно, оскільки коли щось рухається з постійною швидкістю в постійному гравітаційному полі, ніякого спостережуваного ефекту немає зовсім. В ідеалі, нам потрібна була б система, в якій масивний об’єкт рухається зі змінною швидкість через мінливе гравітаційне поле. Іншими словами, нам потрібна система, що складається з тісної пари обертових спостережуваних останків зірок, хоча б одна з яких буде нейтронної.
По мірі обертання нейтронних зірок, вони пульсують, і ці імпульси видно нам на Землі всякий раз, коли полюс нейтронної зірки проходить через нашу лінію візування. Передбачення теорії гравітації Ейнштейна неймовірно чутливі до швидкості світла, так що з самого першого виявлення бінарної системи пульсарів у 1980-х роках, PSR1913+16 (Халса-Тейлора), ми звели швидкість гравітації до рівної швидкості світла з похибкою вимірювання всього 0,2%.
Звичайно, це непряме вимірювання. Ми змогли здійснити непряме вимірювання іншого типу в 2002 році, коли в результаті випадкового збігу Земля, Юпітер і дуже потужний радиоквазар (QSO J0842+1835) вишикувалися в одну лінію візування. По мірі руху Юпітера між Землею і квазаром, гравітаційне викривлення Юпітера дозволило нам виміряти швидкість гравітації, виключити нескінченну швидкість і визначити, що вона десь між 2,55 х 108 і 3,81 х 108 метрів в секунду, що повністю відповідає прогнозам Ейнштейна.
В ідеалі, ми могли б виміряти швидкість цієї брижів безпосередньо за рахунок прямого виявлення гравітаційних хвиль. LIGO знайшла першу таку, в кінці кінців. На жаль, з нашої нездатності правильно триангулировать місце народження цих хвиль, ми не знаємо, з якого боку вони прийшли. Розрахувавши дистанцію між двома незалежними детекторами (у Вашингтоні і Луїзіані) і вимірявши різницю в часі прибуття сигналу, ми можемо визначити, що швидкість гравітації відповідає швидкості світла і визначити найбільш жорсткі обмеження по швидкості.
Тим не менше, найбільш жорсткі обмеження дають нам непрямі вимірювання від дуже рідких систем пульсарів. Найкращі результати на даний момент говорять нам, що швидкість гравітації між 2,993 х 108 і 3,003 х 108 метрів в секунду, що прекрасно підтверджує ОТО і жахливо позначається на альтернативних теоріях гравітації (прости, Ньютон).
