Какая скорость у гравитации?
Нам известны четыре измерения. Рядом с тремя пространственными измерениями всегда есть и временное. Это означает, что у любого физического процесса обязательно есть некоторая скорость. Логично полагать, что и гравитация обладает некоторой скоростью. Но тут мы имеем очень интересную проблему. Давайте обсудим этот вопрос.
Представьте себе простую ситуацию. Вы взяли яблоко и поместили его в гравитационное поле. Через сколько, по вашему мнению, гравитация подействует на яблоко?

По одной из версий яблоко мгновенно почувствует на себе влияние гравитации, и это означает, что гравитация действует мгновенно. По другой — у гравитации будет некая измеряемая скорость.
Для того, чтобы правильно ответить на этот вопрос, следует разобраться в природе самого рассматриваемого явления.
Откуда берётся гравитация?
Можно выделить три основных подхода к описанию появления того, что мы называем гравитацией.
Первая теория и теория, которая следует, скажем так, из квантового осознания природы гравитации, построена на некоторых гипотетических частицах гравитонах.
Гравитоны это частицы, которые передают гравитационное взаимодействие от одного тела к другому телу. Именно благодаря гравитонам существует гравитационное поле и они являются квантом этого поля. Это довольно спорная теория, которая построена на физике полей и упирается в квантование всего и вся.
Следующая теория — это «теория Ньютона». Она очень простая и построена только на том, что гравитация просто есть и что это механическое явление. Мы изучаем это явление только как прикладное.
Третья теория гравитации считается сегодня наиболее доверительной и наука принимает её как объективную. Это понимание, которое следует из теории относительности и того, что предложил Эйнштейн. Согласно этому подходу гравитация существует потому, что есть некоторые искажения в пространстве.
Искажения представляют собой, нечто похожее на вмятины в ткани пространства-времени. Они появляются рядом с массивными объектами. Здесь важный момент, что объект на самом деле не скатывается в эту воронку, а сосуществует вместе с ней. Формирование пространства рядом с массивным объектом уже происходит в таком виде, а то, что мы ощущаем как гравитацию есть специфика этого формирования. Взаимное наложение искажений образует гравитационное притяжение между телами.
Теперь, зная основные предположения о том, как работает гравитация, мы с вами можем поговорить и про её скорость.
Скорость гравитации при разных подходах
Исходя из квантового подхода, гравитоны должны успеть подействовать на яблоко. На это требуется некоторое время. Время воздействия и будет определять скорость гравитации. Но теория это сегодня считается спорной, а потому мы не можем считать это научным ответом на вопрос.
По Ньютоновской теории гравитация будет действовать мгновенно и, собственно говоря, нам и не столь важно, насколько быстро она будет работать. Но это устаревший взгляд на проблему.
Самое интересное с теорией Эйнштейна, которая и является объективной согласно современным взглядам. Многие полагают, что если гравитация — это искажение пространства, то она работает мгновенно. Примерно как любое другое физическое свойство, присущее материальному объекту. Ведь тут нет ни силы, ни передачи взаимодействия.
Если бы гравитация была силой, то согласно той же теории Эйнштейна, она не могла бы передаваться быстрее скорости света. Или же получилась бы такая же чехарда, как с квантовой запутанностью. Но гравитация не сила и не взаимодействие.
Вот только всё равно она не работает мгновенно. Да, это следствие искажения пространства, но оно имеет некоторую физическую специфику. Сравнивать со свойством объекта это явление неправильно. Пришло время вспомнить про гравитационные волны.
Гравитационные волны определяют скорость гравитации
Теория Эйнштейна о гравитации содержала ещё кое-что. Отмечалось, что гравитационное взаимодействие передаётся через пространство волнами. Если гравитация «перемещается», она «перемещается» как волна, распространяющаяся в пространстве подобным образом. Это можно сравнить с обычной волной.
Бросили камушек в воду, пошли волны, которые затухают при удалении от источника. Бросили массивный объект куда-то во Вселенную, пошли гравитационные волны, которые работают аналогично.

Некоторое время идея распространялась на правах гипотезы. Но что существование гравитационных волн в итоге получило научное подтверждение. В 2015 году было выполнено прямое их детектирование. Была измерена и скорость этих волн.
Оказалось, что скорость гравитационной волны соответствует скорости света. Более того отмечается, что скорость гравитационной волны зависит от среды распространения, и при путешествии через плотную материю волна теряет скорость.
Скорость гравитационной волны соответствует скорости самой гравитации. При этом скорость не может превышать скорость света.
Поэтому, физически правильный ответ на поставленный вопрос подразумевает, что скорость гравитации будет близка к скорости света и для стандартных условий на нашей планете всегда будет меньше этой скорости.
Источник: shedevrum.ai
41 комментарий
Добавить комментарий
На яблоко уже воздействует гравитация)
Другой вопрос. А если мы передвинем источник поля, то когда это отразится на «пробном заряде»? Вот тут и понадобятся рассуждения о скоростях света и прочих волновых философиях.
Второй-третий курсы универа, дифуры, электричество, урматы, электродинамика.
Так всё-таки, гравитация это поле?
Квантовая гравитация в зачаточном состоянии с общими предположениями и безо всякой возможности экспериментальной проверки безумного количества математических моделей. Даже если кванты-гравитоны найдутся, скорее всего полевые подходы никуда не денутся, как в квантовой электродинамике, плавно перетекающей в классику при низких энергиях.
А как можно прокомментировать подход ОТО к гравитации как искажению пространства-времени.
Имеется корпускулярно-волновой дуализм для света, электронов и т.д.
Можно ли говорить о каком-то дуализме гравитации как поля и искажении пространства-времени?
Динамика взаимодействий описывается довольно сложными лагранжианами (если учили теормех — это они). Собственно, из членов этих лагранжианов и рисуются знаменитые диаграммы Фейнмана. Концы — это волновые функции частиц, вершины — куски лагранжиана, промежуточные линии между вершинами — виртуальные частицы, для которых не выполняются условия «квадрат 4-импульса равен квадрату массы», в формулах на их место вставляются «пропагаторы». И так далее. Получается, что вся эта канитель живет в рамках плоского пространства-времени, соответствующего специальной теории относительности.
Для гравитации есть только более-менее проверенная ОТО. В ней никаких квантов нет. Попыток сделать квантовую гравитацию много, но есть проблема — нет ни одного наблюдения/эксперимента, которые показали бы квантовую сущность гравитации. Оно, в общем понятно. Гравитация на несколько десятков порядков слабее слабого взаимодействия. Чтобы увидеть квантовую часть пространства, надо забраться на расстояния порядка длины Планка. А для этого нужны очень большие энергии. А так ОТО отлично описывает движение света около массивных объектов. Поправки ОТО входят в формулы приемников gps, есть куча разных экспериментов по ее проверке, давших хорошее согласование...
Стандартная модель шита белыми нитками. Там нет объяснения масс фермионов, массы бозона Хиггса, угла Вайнберга и т.д. То есть это осколок какой-то более общей теории. Опять же, более общих моделей придумано много. Вопрос в том, что ничего из их предсказаний не наблюдается. То идут предсказания очень тяжелых частиц вроде монополей Полякова, то каких-то практически безмассовых… Беда в том, что экспериментальных данных — один большой ноль. Более-менее понятно, что делать ускоритель в два-три раза мощнее БАКа или Тэватрона не очень разумно, ну покажут они согласие с СМ и что? А делать с энергиями в сто раз больше — ни денег не хватит, ни места на Земле.
И нет причин считать, для для гравитации имеется исключение. А это — уже рабочая гипотеза, которой придерживается большинство физиков.
Масса вообще-то не растет со скоростью. Растет энергия, а «та самая формула» в физике частиц давно считается устаревшей. Во всяком случае, еще в 80-е нас учили, что «е равно эм це квадрат» только путает смысл массы и взята из работ Пуанкаре, который не понимал физики.
От того, что вы разгоните протон до околосветовой скорости в ускорителе вроде БАКа, его гравитация не увеличится. Он по-прежнему будет участвовать в гравитационном взаимодействии с «массой покоя» или просто массой около 1ГэВ.
Как обычно бывает, учебники редко обновляют, поэтому старье лезет изо всех щелей. Представляете, во многих вузах до сих пор основам современной науки учат по учебникам с давным-давно устаревшей терминологией. Хорошо, если у тебя преподаватели — сами ученые с большим именем. Мне тут повезло: спецкурс ОТО читал академик, ученик самого В.А. Фока. А если нет такого?
У фотона масса — строгий ноль, у электрона 0.511МэВ и т.д. И именно эта масса входит в уравнения движения и СТО, и ОТО, а не та «эффективная масса», которую Эйнштейн взял у Пуанкаре. Тот вообще в физике очень много напутал, хотя в математике был велик.
То, о чем вы говорите — законы сохранения. Масса там — дело вторичное. Если энергия и допустимые взаимодействия позволяют — будет реакция. Вроде того, что распад нейтрона в протон разрешен энергетически и существует подходящий процесс. Он и идет — свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Время распада нейтрона достаточно велико из-за механизма через виртуальный W-бозон, который тяжелый, поэтому вероятность невелика. А вот для распада протона в рамках стандартной модели процесса нет. Потому ищут распад протона для поиска «новой физики». Точно так же столкновение электрона с позитроном в ускорителе LEP давало тяжелый Z-бозон, а на LEP2 давало пару W-бозонов. Есть подходящий процесс и нужная энергия. Можете поверить, масса электрона там входит в виде логарифма отношения квадрата энергии столкновения к квадрату массы электрона. Но этот логарифм появляется при подсчетах поправок к первому приближению.
Гравитационная масса — это та же масса, которая не меняется. Ее еще называли массой покоя.
P.S. скорость распада ядер от температуры не зависит. Так что охлаждай, не охлаждай — будет одна скорость распада.
P.P.S. Цепная реакция урана-235 в реакторах идет по схеме Уран плюс нейтрон — распад на два более легких ядра плюс несколько нейтронов (обычно пара, но может быть по-другому). Эти осколки имеют некоторую кинетическую энергию около 202МэВ, которая и является полезным результатом реакции. Собственно, эти 202МэВ и есть тот «дефект масс», на который суммарные массы осколков меньше массы начального ядра. Можете глянуть подробности в вики.
По поводу темной материи и темной энергии — надо радоваться, что есть еще вещи, которые непонятно, как объяснять. Есть наблюдения, которые непонятно, как объяснять. Что-то объясняется минимальным воздействием типа темной материи или лямба-члена в уравнении Эйнштейна. Что-то не получается объяснить. В чем причина, то ли в ошибках наблюдений, то ли в несовершенстве теорий — сказать сложно. И не надо бухтеть, что «этого нет потому что не может быть» или что «все физики малахольные, не могут объяснить такую малость»…
Вон, как Джинс на основе распределения Максвелла в 1870-х начал смотреть на термодинамику и сразу увидел противоречия с экспериментом. Он даже лет двадцать вообще не касался этой темы, поскольку не видел решения. И это противоречие исчезло только лет через сорок, когда Планк открыл кванты, а потом Эйнштейн заложил основы квантовой статистики.
А СТО и ОТО вместе со стандартной моделью вполне законно занимают место в учебниках.
Нет, по передовому, совремённому и научному — в результате добавления третьего кирпича пошли гравитационные волны, предсказанные ОТО и экспериментально буквально вчера обнаруженные.
Эти волны, как расширение-сжатие пространства, раздвинули молекулы бумаги на такое расстояние, что электромагнитные силы взаимодействия между ними ослабли, и это мы наблюдаем как разрыв бумаги.
Т.е. этот Ваш опыт — ещё одно доказательство существования гравитационных волн и подтверждение ОТО
В этом случае можно увеличить массу третьего кирпича или количество кирпичей для увеличения амплитуды грав волн
Возможно, здесь Вы мыслите в духе Релятивистской теории гравитации (РТГ) академика, ректора МГУ А. А. Логунова.
В РТГ гравитация есть не геометрия пространства-времени (как в ОТО), а реальное физическое силовое поле в духе Фарадея — Максвелла, описываемое тензором.
Вы заканчивали МГУ?
Насчет тензора — это же тензор метрики пространства. Тут хоть тушкой, хоть чучелком — а поле. Кривое, косое, но поле.
В этом случае можно увеличить массу третьего кирпича или количество кирпичей для увеличения амплитуды грав волн
Добавить комментарий