Apakah pengaruh gravitasi seketika?

25

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?

Supuhstar
sumber
3
Dari yang saya tahu, ini tidak instan. Setiap informasi, termasuk gravitasi, bergerak paling cepat dengan kecepatan cahaya. Lihat ini sebagai contoh: en.wikipedia.org/wiki/Action_at_a_distance#Gravity
Takku
Tidak, ia bergerak dengan kecepatan cahaya. Jika matahari menghilang secara ajaib, dibutuhkan 9 menit hingga Bumi berhenti merasakan gravitasi.
Fattie

Jawaban:

28

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.2×1010

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 seragamcbiaya: 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.

Stan Liou
sumber
maaf, dengan "beserta semua pengaruhnya", saya maksudkan bahwa tidak akan ada, seperti, sumur gravitasi atau apa pun yang tersisa di tempatnya. Saya tidak bermaksud bahwa pengaruhnya akan dihapus secara ajaib dari seluruh alam semesta.
Supuhstar
Jika saya memahami ini dengan benar, kita tampaknya mengalami gaya gravitasi yang diarahkan pada titik di mana Matahari sekarang , bukan di tempat itu 8 menit yang lalu (yang terakhir adalah tempat kita melihatnya). Tetapi jika inti Matahari tiba-tiba runtuh, dan kami dapat mendeteksi gelombang gravitasi yang dihasilkan, kami akan mendeteksinya 8 menit setelah kejadian, dan dari arah yang cocok dengan posisi Matahari yang terlihat, bukan dari arah gravitasi yang tampak. memaksa. Apakah itu benar?
Keith Thompson
3
@KeithThompson ya, benar, dengan peringatan kecil. Kami akan mendeteksi gelombang gravitasi jika momen quadrupole Matahari berubah dengan hebat saat runtuh sekitar 8 menit sesudahnya. (Saya mengatakan hal-hal seperti ini karena, misalnya, keruntuhan inti simetris bola tidak akan memancarkan gravitasi secara gravitasi.)
Stan Liou
8
Apakah mungkin bagi Anda untuk memperbarui jawaban Anda menggunakan konfirmasi gelombang gravitasi LIGO?
Tanenthor
1
@Tanenthor Saya tahu "perubahan cepat" tidak sepenuhnya akurat, tetapi ini adalah pemberitahuan terbaik yang dapat saya masukkan pada posting ini untuk menunjukkan bahwa itu belum memperhitungkan hasil terbaru.
bernama2voyage
7

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

Jonathan
sumber
Keren! Jadi Bumi akan, dalam skenario saya, terus mengorbit di sekitar apa-apa selama ~ 8 menit sebelum terlempar ke siapa yang tahu di mana?
Supuhstar
Ya, saya percaya itulah yang akan terjadi. Namun, kami tidak akan memperhatikan bahwa matahari hilang sampai tanda ~ 8 menit karena cahayanya tidak akan sampai kepada kita juga. Jika matahari pergi, kita tidak akan melihat (cahaya atau gravitasi) sampai sekitar 8 menit kemudian (jika relativitas umum benar).
Jonathan
1
Masih ada sedikit ruang untuk berdalih: "Angka aktual mereka adalah 1,06 kali kecepatan cahaya, tetapi ada kesalahan plus atau minus 0,21."
Wayfaring Stranger
Tautan kedua rusak dan karena itu jawaban ini juga. Jawaban hanya tautan tidak disarankan.
Rob Jeffries
4

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.

Mark Olson
sumber
Terima kasih untuk ini! Ini sangat menambah diskusi. Bisakah Anda mengutip beberapa sumber untuk menjadikannya jawaban yang lebih kuat?
Supuhstar
3

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.

Mark Lammas
sumber
Saya tidak bertanya pada Randall Munroe; Saya tidak menginginkan jawaban "bagaimana jika matahari menghilang", tetapi jawaban "bagaimana kita tahu gravitasi adalah instan", yang telah disediakan. -1 untuk tidak menambahkan apa pun ke percakapan dengan jawaban Anda.
Supuhstar
5
@Supuhstar Anda bisa sedikit lebih membantu dan instruktif untuk membantu pengguna baru membuat jawaban yang lebih baik daripada menolak. Saya perhatikan Anda sendiri cukup baru. Sebagai tandingan, pertanyaan Anda bukanlah pertanyaan 'baik', karena menunjukkan sedikit riset sebelumnya, dan bertanya tentang pemahaman pribadi yang tidak benar. Silakan periksa FAQ untuk cara mengajukan pertanyaan yang bagus.
Jeremy
1
Saya setuju dengan @Jeremy; Supuhstar, jawaban ini jelas tidak seburuk yang Anda bayangkan. Saya benar-benar memilih itu.
HDE 226868
@ Jeremy terima kasih telah membantu saya menjadi lebih baik: 3
Supuhstar
0

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

Ags1
sumber
Terima kasih atas jawaban Anda, tetapi tampaknya sama dengan jawaban Mark Olson
Supuhstar
-3

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.

Bruce
sumber
1
Yang lain di sini mengatakan ia bergerak dengan kecepatan rendah. Anda mengklaim itu jauh lebih lambat dari itu, lebih mirip suara?
Supuhstar
3
Alasan untuk lag (yang tidak selalu 4 jam dan kadang-kadang di depan bulan) adalah bahwa pasang surut air dan air membutuhkan waktu untuk mengalir. "Kecepatan gravitasi" tidak ada hubungannya dengan itu.
James K
Saya cukup yakin ombak bergerak maju, tidak di belakang bulan dan ini disebabkan oleh rotasi bumi yang lebih cepat dari orbit bulan dan itu bukan 4 jam, ini sekitar 3 derajat. Untuk informasi lebih lanjut, lihat pertanyaan ini: astronomy.stackexchange.com/questions/16769/… Jawaban ini mungkin harus dihapus karena itu salah.
userLTK
Penjelasan yang bagus tentang gaya pasang surut dapat ditemukan di wiki: en.wikipedia.org/wiki/Tidal_force
Oleg Muir Lou Goff