Apakah pengaruh gravitasi seketika?

Ketika saya masih di perguruan tinggi, saya mengajukan kepada profesor astronomi saya sebuah eksperimen pemikiran yang telah membingungkan pikiran saya selama beberapa waktu: "Jika semua materi di Matahari secara ajaib menghilang secara instan, berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk menghentikan gravitasi yang berefek pada kami?" Responsnya adalah bahwa gaya gravitasi bersifat instan, tidak seperti kecepatan cahaya, yang tampak instan.

Pertanyaan besar saya adalah: "Apakah kita tahu ini instan?" Kita tidak mungkin bisa menggerakkan objek yang cukup besar untuk memiliki pengaruh gravitasi yang cukup cepat untuk diukur jika itu menciptakan (atau tidak menciptakan) fenomena seperti doppler.

Jika dia salah, bagaimana kita tahu itu tidak benar?

Pertanyaan pertama yang dinyatakan memiliki jawaban yang agak sepele:

"Jika matahari menghilang secara ajaib, seketika, bersama dengan semua pengaruhnya , berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk menghentikan pengaruh gravitasi pada kita?"

Karena gravitasi Matahari adalah salah satu pengaruhnya, ia akan langsung berhenti memiliki efek pada kita. Itu hanya bagian dari situasi magis, dan bahkan tidak melibatkan fisika apa pun. Yang sedikit lebih menarik adalah pertanyaannya tanpa bagian yang tebal.

Dalam relativitas umum, perubahan medan gravitasi merambat dengan kecepatan cahaya. Dengan demikian, orang mungkin berharap bahwa hilangnya Matahari secara ajaib dan instan tidak akan mempengaruhi bumi selama sekitar delapan menit, karena itulah berapa lama cahaya dari Matahari diperlukan untuk mencapai Bumi.

Namun, ini keliru karena hilangnya Matahari secara langsung itu melanggar relativitas umum, karena persamaan medan Einstein memberlakukan semacam hukum konservasi lokal pada tensor energi-stres yang analog dengan non-divergensi medan magnet dalam elektromagnetisme: di setiap lingkungan kecil ruangwaktu, tidak ada sumber lokal atau tenggelamnya energi stres; itu harus datang dari suatu tempat dan pergi ke suatu tempat. Karena lenyapnya Matahari secara instan dan ajaib melanggar relativitas umum, tidak masuk akal untuk menggunakan teori itu untuk memprediksi apa yang terjadi dalam situasi seperti itu.

Dengan demikian, gravitasi Matahari dengan segera menghentikan efek apa pun di Bumi sama konsistennya dengan relativitas umum seperti halnya segala jenis penundaan waktu. Atau lebih tepatnya, itu tidak lebih tidak konsisten.

Pertanyaan besar saya, sekarang, adalah: "Bagaimana kita tahu ini instan?"

Ini tidak instan, tetapi bisa muncul seperti itu.

Kita tidak mungkin bisa menggerakkan objek yang cukup besar untuk memiliki pengaruh gravitasi yang cukup cepat untuk diukur jika itu menciptakan (atau tidak menciptakan) fenomena seperti doppler.

Kita tidak harus: dinamika tata surya cukup cepat. Sebuah perhitungan sederhana akibat Laplace pada awal abad kesembilan belas menyimpulkan bahwa jika gravitasi mengalami penyimpangan, orbit Bumi akan menabrak Matahari pada skala waktu sekitar empat abad. Dengan demikian gravitasi tidak menyimpang cukup - analisis yang lebih cermat menyimpulkan bahwa dalam kerangka Newton, kecepatan gravitasi harus lebih dari kecepatan cahaya agar konsisten dengan kurangnya penyimpangan yang diamati.$2\times10^{10}$

Ini mungkin tampak agak membingungkan dengan bagaimana hal itu cocok dengan klaim relativitas umum bahwa perubahan dalam bidang gravitasi menyebar dengan kecepatan cahaya, tetapi sebenarnya tidak terlalu aneh. Sebagai analogi, medan listrik dari muatan listrik yang bergerak seragam diarahkan ke posisi sesaat dari muatan - bukan di tempat muatan sebelumnya, seperti yang mungkin diharapkan dari kecepatan penundaan cahaya. Ini tidak berarti bahwa elektromagnetisme menjalar secara instan - jika Anda menggoyangkan muatannya, informasi itu akan dibatasi oleh , karena medan elektromagnetik berubah sebagai respons terhadap tindakan Anda. Sebaliknya, itu hanya sesuatu yang benar untuk bergerak secara seragam$c$biaya: medan listrik "mengantisipasi" di mana perubahan akan terjadi jika tidak ada pengaruh yang menimpanya. Jika kecepatan pengisian berubah cukup lambat, itu akan terlihat seperti elektromagnetisme seketika, meskipun sebenarnya tidak.

Gravitasi melakukan ini dengan lebih baik: medan gravitasi dari suatu massa yang berakselerasi merata menuju posisi saat ini. Dengan demikian, gravitasi "mengantisipasi" di mana massa tidak hanya didasarkan pada kecepatan arus, tetapi juga akselerasi. Jadi, jika kondisinya sedemikian rupa sehingga akselerasi benda gravitasi berubah perlahan (seperti yang terjadi di tata surya), gravitasi akan terlihat seketika. Tapi ini hanya kira-kira benar jika akselerasi berubah perlahan - hanya perkiraan yang sangat baik di bawah kondisi tata surya. Bagaimanapun, gravitasi Newton bekerja dengan baik.

Analisis terperinci tentang hal ini dapat ditemukan dalam Aberration karya Steve Carlip dan Speed ​​of Gravity , Phys.Lett.A 267 : 81-87 (2000) [arXiV: gr-qc / 9909087 ].

Jika dia salah, bagaimana kita tahu itu tidak benar?

Kami memiliki banyak bukti untuk relativitas umum, tetapi bukti terbaik saat ini bahwa radiasi gravitasi berperilaku seperti yang dikatakan GTR adalah adalah biner Hulse-Taylor . Namun, belum ada pengamatan langsung terhadap radiasi gravitasi. Hubungan antara tingkat pembatalan yang jelas dari efek yang bergantung pada kecepatan pada elektromagnetisme dan gravitasi, termasuk hubungannya dengan sifat dipol dari radiasi EM dan sifat quadrupole dari radiasi gravitasi, juga dapat ditemukan di kertas Carlip.

Sebenarnya, gravitasi "instan" adalah bagian dari teori gravitasi Newton. Sekarang dipahami bahwa "kecepatan gravitasi" sama dengan kecepatan cahaya menurut relativitas umum. http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_gravity

Ini tampaknya cukup baru-baru ini dikonfirmasi, dan dijelaskan secara lebih rinci di sini: https://medium.com/starts-with-a-bang/what-is-the-speed-of-gravity-8ada2eb08430#.kgnvcvxo2

Diperbarui 2018: Jawaban @Stan Liou sangat bagus, tetapi sejak ia menulis jawaban itu, kami telah secara akurat mengukur kecepatan gelombang gravitasi dan mengonfirmasi ke tingkat akurasi yang sangat tinggi bahwa itu adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa udara.

Pada bulan Agustus 2017, LIGO mengamati GW170817, sebuah inspirasi bintang neutron. Observatorium sinar-X di orbit mendeteksi sinar-x dari tabrakan dengan selisih waktu perjalanan paling banyak 2 detik, sehingga kecepatan cahaya == kecepatan gravitasi dikonfirmasi. Berikut ringkasan hasil yang layak.

Tidak seorang pun di antara kita akan tahu bahwa Matahari benar-benar menghilang sampai kira-kira titik delapan menit berlalu. Pada saat itu, kita semua akan sangat cepat berteriak dan panik pada kegelapan total dan absolut yang tiba-tiba akan menggantikan semua siang hari yang normal. Kekhawatiran gravitasi akan menjadi yang paling sedikit dari kekhawatiran kita, saya pikir.

Jika itu terjadi pada malam hari, kita yang berada dalam cahaya buatan akan terhindar dari kejutan singkat. Orang-orang di luar mungkin bertanya-tanya mengapa Bulan tiba-tiba mengedipkan mata ... saat mata menjadi terbiasa dengan kegelapan total, bintang-bintang di daerah langit yang jernih adalah yang terlihat, di mana saja.

Bumi akan membeku, PDQ; kami tidak akan bertahan lama.

Gelombang gravitasi telah terdeteksi selama beberapa tahun terakhir, dan ini hanyalah riak dalam medan gravitasi yang merambat dengan kecepatan cahaya. Kita tahu mereka merambat dengan kecepatan cahaya karena itulah cara detektor gelombang gravitasi seperti LIGO bekerja, dan karena kita telah menghubungkan beberapa sinyal gravitasi dengan sinyal cahaya yang tiba pada waktu yang bersamaan.

https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817

Jika Anda melihat tarikan gravitasi bulan pada pasang, Anda akan mencatat bahwa pasang empat jam di belakang bulan karena itu Anda mungkin berasumsi bahwa gravitasi tidak instan.