重力的影响是瞬时的吗?


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当我上大学时,我向天文学教授提出了一个思想实验,这个思想实验困扰了我一段时间:“如果太阳下的所有物质都立即神奇地消失了,它的引力要花多长时间才能停止对我们?” 他的回答是引力是瞬时的,与光速不同的是光速。

我的大问题是:“我们知道这是即时的吗?” 我们不可能将物体移动到足够大的程度,而没有足够快的速度产生明显的引力影响,从而无法测量它是否产生(或不产生)多普勒现象。

如果他错了,我们怎么知道不是呢?


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据我了解,这不是即时的。每条信息,包括由于重力而产生的信息,最多都以光速传播。参见以下示例:en.wikipedia.org/wiki/Action_at_a_distance#Gravity
Takku 2014年

不,它以光速传播。如果太阳神奇地消失了,那将需要9分钟,直到地球不再感觉到重力。
Fattie '18

Answers:


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如前所述,第一个问题的答案很简单:

“如果太阳神奇地消失,连同所有影响一起消失,它的引力要花多长时间才能停止对我们产生影响?”

由于太阳的引力是其影响之一,因此它会立即停止对我们产生影响。那只是魔术情况的一部分,甚至不涉及任何物理学。没有加粗部分的问题更有趣。

在广义相对论中,引力场的变化以光速传播。因此,人们可能希望太阳的神奇瞬间消失不会影响地球约八分钟,因为那是太阳发出的光到达地球所需的时间。

但是,这是错误的,因为太阳本身的即时消失违反了广义相对论,因为爱因斯坦场方程对应力-能量张量执行了一种类似于电磁场中磁场的非发散的局部守恒定律:时空的任何小范围内,都没有压力能的本地来源或汇聚点;它必须来自某个地方然后去某个地方。由于神奇的太阳瞬间消失违反了广义相对论,因此使用该理论来预测在这种情况下会发生什么是没有意义的。

因此,太阳的引力立即消除了对地球的任何影响,与广义相对论一致,就像具有任何类型的时延一样。确切地说,这不再是不一致的。

我现在的大问题是:“我们怎么知道它是即时的?”

它不是即时的,但可以那样显示。

我们不可能移动足够大的物体以足够快地产生引力影响,从而无法测量它是否产生(或不产生)多普勒现象。

我们不必:太阳系动力学足够快。根据拉普拉斯在19世纪初期进行的简单计算得出的结论是,如果重力畸变,地球的轨道将在大约四个世纪的时间尺度上撞向太阳。因此引力不会出现明显的像差-更仔细的分析得出的结论是,在牛顿框架中,引力的速度必须大于光速的,才能与观察到的像差缺乏相一致。2×1010

它与广义相对论如何称呼引力场的变化以光速传播的说法似乎颇为令人困惑,但实际上并非如此。类似地,均匀移动的电荷的电场指向电荷的瞬时位置,而不是电荷所处的位置,正如人们从光延迟的速度所期望的那样。这并不意味着电磁会瞬间传播-如果您扭动电荷,则信息将受到限制,因为电磁场会根据您的动作而变化。相反,这只是匀速运动的真实情况c电荷:如果没有影响,电场将“预期”变化的位置。如果充电速度变化足够缓慢,则看起来电磁是瞬时的,即使实际上不是。

重力的作用甚至更好:匀加速质量的重力场朝向其当前位置。因此,重力“预期”质量将不仅基于当前速度,而且还基于加速度。因此,如果引力体的加速度变化缓慢(如太阳系中的情况),重力将是瞬时的。但这只是在加速度变化缓慢的情况下才是正确的-在太阳系的条件下,这只是一个很好的近似值。毕竟,牛顿引力工作得很好。

对此的详细分析可以在Steve Carlip的《像差和重力速度》,Phys.Lett.A 267:81-87(2000)[arXiV:gr-qc / 9909087 ]中找到。

如果他错了,我们怎么知道不是呢?

我们有很多有关广义相对论的证据,但是目前有关重力辐射表现像GTR所说的那样的最好的证据是Hulse-Taylor二元。但是,还没有直接观察到引力辐射。Carlip的论文中也发现了电磁和重力中速度相关效应的表观抵消程度之间的联系,包括其与EM辐射的偶极性质和重力辐射的四极性质的联系。


抱歉,“连同其所有影响”,我的意思是说,不会有重力井,也不会留下任何东西。我并不是说它的影响会从整个宇宙中神奇地消除。
Supuhstar 2014年

如果我正确理解这一点,我们似乎会受到引力的作用,它指向的是太阳现在所在的位置,而不是8分钟前的位置(后者是我们看到的位置)。但是,如果太阳的核心突然崩溃,并且我们能够检测到所产生的引力波,那么我们将在事件发生8分钟后从与太阳的可见位置相匹配的方向而不是从视在引力的方向检测到它们。力。那是对的吗?
Keith Thompson

3
@KeithThompson是的,没错,有一些警告。如果太阳的四极矩在坍塌后大约8分钟后剧烈变化,我们将检测到引力波。(我之所以这样说是因为,例如,球对称的核塌陷不会在重力作用下辐射。)
Stan Liou

8
您是否可以使用LIGO重力波确认来更新答案?
Tanenthor '16

1
@Tanenthor我知道“快速更改”并不完全准确,但这是我可以在此帖子上指出的最好通知,即表明它没有考虑最新结果。
名为2voyage

7

实际上,“即时”引力是牛顿引力理论的一部分。现在可以理解,根据广义相对论,“重力速度”等于光速。 http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_gravity

这显然是最近才被证实的,并在这里进行了更详细的描述:https : //medium.com/starts-with-a-bang/what-is-the-speed-of-gravity-8ada2eb08430#.kgnvcvxo2


凉!因此,在我的情况下,地球将继续空转约8分钟,然后坠入谁知道谁在哪里?
Supuhstar 2014年

是的,我相信那将会发生。但是,直到大约8分钟后,我们才会注意到太阳不见了,因为光线也不会照到我们身上。如果太阳要消失,那么直到大约8分钟后(如果相对论是正确的),我们才会注意到(光线或重力)。
乔纳森

1
还有一个小地方可以争论:“他们的实际数字是光速的1.06倍,但是有正负0.21的误差。”
Wayfaring Stranger 2014年

第二个链接已断开,因此此答案也已断开。不鼓励仅链接的答案。
罗布·杰弗里斯

4

2018年更新:@Stan Liou的答案非常好,但是自从他写下答案以来,我们已经精确地测量了引力波的速度,并以非常高的准确性确认了真空中的光速。

2017年8月,LIGO观测了中子星吸气星GW170817。轨道上的X射线观测站从碰撞中检测到X射线,其行进时间最多相差2秒,因此可以确定光速==重力速度。 这是结果的总结。


谢谢你!这极大地增加了讨论。您能否引用一些消息来源以使其成为更强有力的答案?
Supuhstar

3

我们谁都不知道太阳实际上已经消失了,直到大约八分钟。到那时,我们所有人都会对绝对的和完全的黑暗迅速尖叫和恐慌,这将突然取代所有正常的日光。我认为,引力问题将是我们最少的担心。

如果它发生在晚上,那么我们这些处于人造光下的人将短暂地幸免。外面的人可能想知道为什么月亮突然眨了眨眼……当眼睛适应了完全黑暗的时候,天空清晰区域中的星星在任何地方都是可见的。

地球将冻结,PDQ;我们不会持续很长时间。


我没有问兰德尔·芒罗;我不希望有“如果太阳消失了该怎么办”的答案,而是要提供一个“我们如何知道重力是即时的”答案。-1表示不将任何内容添加到带有您答案的对话中。
Supuhstar 2014年

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@Supuhstar,您可能会有所帮助和指导,以帮助新用户做出更好的答案,而不是轻描淡写。我注意到您自己还很新。相对而言,您的问题不是“好”问题,因为它几乎没有进行过先前的研究,并询问了不正确的个人理解。请查看常见问题解答,以了解如何提问。
杰里米

1
我同意@Jeremy;Supuhstar,这个答案显然并不像您看起来的那么可怕。我实际上投票了。
HDE 226868

@杰里米(Jeremy)感谢您帮助我改善自己:3
Supuhstar 2014年


-3

如果您看一下潮汐上月亮的重力引力,您会注意到潮汐比月亮晚了四个小时,因此您可能会认为重力不是瞬间。


1
这里的其他人说它以光速传播。您声称它比这慢得多,更像声音吗?
Supuhstar

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滞后的原因(并非总是4小时,有时甚至比月球还早)是因为潮汐是水流,水流需要时间才能流动。“重力速度”与它无关。
詹姆斯·K

我很确定潮汐会向前移动,而不是在月球后面,这是由于地球自转的速度比月球轨道快,而且不是4小时,而是大约3度。有关更多信息,请查看以下问题: astronomy.stackexchange.com/questions/16769/… 此答案可能应该删除,因为它是不正确的。
userLTK

可以在Wiki上找到关于潮汐力的很好解释:en.wikipedia.org/wiki/Tidal_force
Oleg Muir Lou Goff
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