중력 속도

Speed of gravity
중력 속도
정확한 값
미터/초299792458
대략적인 값(유효한 세 자리까지)
시속 킬로미터1080000000
마일/초186000
시속 마일[1]671000000
하루 천문 단위173[Note 1]
연간 파섹 수0.307[Note 2]
광신호 이동 시간의 근사치
거리시간을
한쪽 발1.0 ns
1미터3.3 ns
정지궤도에서 지구로119 밀리초
지구의 적도의 길이134 밀리초
달에서 지구로1.3초
태양에서 지구로 (1AU)8.3분
1광년1.0년
1파섹3.26년
가장 가까운 별에서 태양까지 (1.3 pc)4.2년
가장 가까운 은하(큰개자리 왜소 은하)에서 지구로25000년
은하수 건너편에10만 년
안드로메다 은하에서 지구로250만 년
일반상대성이론
Spacetime curvature schematic
기본 개념
현상
시공간
  • 방정식
  • 형식주의
방정식
형식주의
고급 이론
솔루션
과학자

고전적인 중력 이론에서는 중력장의 변화가 전파된다.물질의 에너지 분포와 운동량의 변화는 그것이 만들어내는 중력장의 후속적인 변화를 야기합니다.상대론적 의미에서 중력속도란 중력파의 속도를 말하며, 일반 상대성 이론으로 예측되고 GW170817 중성자별 합성의 관측으로 확인되었듯이 빛의 속도(c)와[2] 같다.

서론

일반 상대성 이론에서 중력파의 속도는 진공에서의 빛의 속도와 같다.[3]특수상대성이론에서, 상수 c는 빛에 관한 것일 뿐만 아니라, 자연에서 어떠한 상호작용에도 가능한 가장 빠른 속도이다.형식적으로 c는 시간 단위를 [4]공간 단위로 변경하기 위한 변환 계수이다.따라서 관측자의 움직임이나 빛 및/또는 중력원에 의존하지 않는 유일한 속도가 됩니다.따라서, "빛"의 속도는 중력파의 속도이기도 하고, 나아가 질량이 없는 입자의 속도이기도 합니다.이러한 입자는 글루온(강한 힘의 반송파), 빛을 구성하는 광자(그래서 전자기력의 반송파), 그리고 가상의 중력자(중력과 관련된 추정장 입자)를 포함합니다. 그러나 중력자의 이해는, 존재한다면, 양자 중력의 아직 이용할 수 없는 이론을 필요로 합니다.).

정적 필드

중력장 또는 전자기장의 물리적 변화 속도는 순수한 관찰자 효과에 기인하는 정적장의 "변화"와 혼동해서는 안 된다.정적 장 방향의 이러한 변화는 상대론적 고려사항으로 인해 관찰자가 먼 전하에 대해 이동하기로 결정할 때와 먼 전하가 이동할 때 관찰자에게 동일합니다.따라서 정적 전하와 확장된 정적 장(중력장 또는 전기장)에 대한 관찰자의 지속적인 운동은 필드를 바꾸지 않습니다.전하와 연결된 정전장이나 거대한 물체에 연결된 중력장과 같은 정적장의 경우 장은 무한대까지 확장되며 전파되지 않습니다.관찰자의 움직임은 이러한 필드의 방향을 변화시키지 않으며, 대칭적인 고려에 의해, 관찰자 프레임을 변화시켜 전하가 일정한 속도로 움직이는 것처럼 보이게 하는 것은 또한 그 필드의 방향을 변화시키지 않지만, 전하의 방향을 "지점"하는 것을 전거리에서 필요로 한다.혐의에서 벗어나다.

그 결과 정적 장(전기 또는 중력)은 항상 전하로부터 멀리 떨어진 관찰자에게 전달되는 신호로 인한 지연 없이 연결된 물체의 실제 위치를 직접 가리킵니다.이는 하전된 물체와 관찰자가 단순히 기준 프레임을 변경하여 "이동"(또는 이동하지 않음)할 경우 그대로 적용된다.이 사실은 때때로 그러한 정적 필드의 "속도"에 대한 혼란을 야기합니다. 이러한 필드는 필드의 변화가 관찰자의 움직임 또는 관찰의 단순한 아티팩트에 불과할 때 무한히 빠르게 변화하는 것처럼 보입니다.

이러한 경우 실제로 무한히 빠르게 변화하는 것은 없습니다. 현장 관찰자의 관점을 무시하십시오.예를 들어, 관찰자가 이미 광년에 걸쳐 확장되어 있는 정적 장에 대해 움직이기 시작하면, 그 소스와 함께 전체 장(場)이 관찰자의 속도로 움직이기 시작한 것처럼 보입니다.물론 여기에는 필드의 확장 부분이 포함됩니다.그러나, 이 필드 소스의 외관상의 「변화」는, 그 원거리장과 함께, 빛보다 빠른 전파의 종류를 나타내지 않습니다.

뉴턴 중력

아이작 뉴턴의 중력 법칙 공식은 질량을 가진 각 입자가 그들 사이의 거리에 관계없이 질량을 가진 다른 모든 입자에 즉각적으로 반응할 것을 요구한다.현대 용어에서 뉴턴의 중력은 포아송 방정식으로 설명되며, 이에 따라 시스템의 질량 분포가 변화하면 그 중력장이 순간적으로 조정된다.따라서, 이 이론은 중력 속도가 무한하다고 가정한다.이 가정은 당시의 관측 정확도로 모든 현상을 설명하기에 적절했다.19세기가 되어서야 순간 작용의 뉴턴 중력 모델과 조화될 수 없는 천문학적 관측의 이상이 발견되었다: 프랑스 천문학자 우르뱅 르 베리에는 1859년에 수성의 타원 궤도가 Ne에 의해 예측된 것과 상당히 다른 속도로 세차한다고 결정했다.wtonian [5]이론

라플라스

유한 중력 속도와 뉴턴의 이론을 결합하려는 첫 번째 시도는 1805년 라플레이스에 의해 이루어졌다.뉴턴의 힘의 법칙에 기초하여 그는 중력장이 복사장 또는 유체로 정의되는 모델을 고려했다.흡인체의 운동 변화는 일종의 [6]파동에 의해 전달된다.따라서 천체의 움직임은 v/c 순서로 수정되어야 하며, 여기서 v는 물체 간의 상대 속도이고 c는 중력 속도이다.유한 중력 속도의 효과는 c가 무한대로 갈수록 0이 되지만, 현대 이론에서처럼 1/c는2 아니다.이것은 라플라스에게 중력 상호작용의 속도가 빛의 최소 7배 10배라는6 결론을 내리게 했다.이 속도는 19세기에 많은 사람들에 의해 중력에 대한 전기적 또는 기계적 설명과 같이 한정된 중력 속도에 기초한 모델을 비판하기 위해 사용되었습니다.

그림 1뉴턴 역학과 한정된 중력속도를 결합할 경우 발생할 수 있는 결과 중 하나입니다.만약 우리가 중력의 기원에 대해 파티오/라 세이지 메커니즘을 가정한다면, 지구는 에너지 보존과 [7]각운동량의 위반으로 바깥쪽으로 나선을 그리게 됩니다.1776년, 라플레이스는 "유체가 끌어당기는 물체의 중심으로 향하는 충격"에 의해 중력이 발생하는 다른 메커니즘을 고려했다.그러한 이론에서, 제한된 중력 속도는 지구가 태양을 [6]향해 안쪽으로 나선형으로 회전하는 결과를 낳는다.

현대의 관점에서 보면, 라플레이스의 분석은 정확하지 않다.정적 영역의 로렌츠 불변성에 대해 알지 못한 라플라스는 지구와 같은 물체가 태양 주위를 이동할 때, 지구의 매력은 태양의 순간적인 위치로 가는 것이 아니라 상대 속도를 사용하여 그것의 위치가 지연된다면 태양이 있었던 곳으로 향할 것이라고 가정했다.연간 태양 수차라고 불린다.)지구가 속도 v로 반지름 R의 궤도에서 움직이고 있을 때 중력 영향이 속도 c와 함께 움직인다고 가정할 때 태양의 진짜 위치는 태양에서 지구까지의 중력 이동 시간인 vR/c와 같은 양만큼 광학 위치보다 먼저 이동합니다. 상대 속도 곱하기태양과 지구의 존재입니다.그림 1에서 보듯이, 중력(빛과 같은 파동처럼 작용한다면)은 항상 지구의 속도 방향으로 변위하여 지구가 항상 실제 위치가 아닌 태양의 광학 위치로 당겨지게 됩니다.이것은 지구보다 먼저 끌어당기는 것을 야기할 것이고, 이것은 지구의 궤도를 바깥쪽으로 나선형으로 돌게 할 것이다.이러한 외향성 나선은 지구를 궤도에 유지시키는 힘에 비해 v/c만큼 억제될 것이다; 그리고 지구의 궤도가 안정적인 것으로 관측되기 때문에, 라플라스 c는 매우 클 것이다.현재 알려진 바와 같이, 그것은 직선 운동의 한계에서 무한하다고 간주될 수 있다. 왜냐하면 정적 영향으로서 일정한 횡속도에서 관측자가 볼 때 거리에서 순간적이기 때문이다.속도(속도 방향)가 천천히 변화하는 궤도의 경우, 거의 무한대에 가깝다.

일정한 속도로 움직이는 물체에 대한 인력은 중력과 전하 모두에서 지연 없이 순간적인 위치로 향합니다.특수 상대성 이론과 일치하는 장 방정식(즉, 로렌츠 불변 방정식)에서, 일정한 상대 속도로 이동하는 정적 전하 사이의 인력은 항상 전하의 순간 위치(이 경우, "중력 전하")를 향하며, 태양의 시간적 위치가 아니다.물체가 일정한 속도로 이동하지만 속도 v가 변화할 때 궤도에 미치는 영향은 v/c2 차수이며2, 이 효과는 에너지와 각운동량을 보존하여 궤도가 붕괴되지 않도록 한다.

전기역학 유추

초기 이론

19세기 말, 많은 사람들은 뉴턴의 힘의 법칙과 빌헬름 에두아르트 베버, 칼 프리드리히 가우스, 베른하르트 리만 그리고 제임스 클락 맥스웰과 같은 확립된 전기역학 법칙을 결합하려고 시도했다.이 이론들은 유한한 전파 속도에 기초하고 있지만 행성계의 안정성을 유지하는 추가 용어를 포함하고 있기 때문에 라플레이스의 비판에 의해 무효화되지는 않는다.이 모형들은 수성의 근일점 진보를 설명하기 위해 사용되었지만 정확한 값을 제공할 수는 없었다.한 가지 예외는 1890년 모리스 레비였는데, 그는 중력의 속도가 빛의 속도와 같은 웨버와 리만의 법칙을 결합함으로써 그렇게 하는 데 성공했다.그러나 그 가설들은 [8][9]기각되었다.

하지만, 이러한 시도의 더 중요한 변형은 폴 거버의 이론으로, 그는 1898년에 같은 공식을 도출했고, 이 공식을 아인슈타인에 의해 근일점 진전에 대해서도 도출했다.Gerber는 이 공식에 기초하여 305000km/s의 중력 전파 속도, 즉 실질적으로 빛의 속도를 계산했다.그러나 거버의 공식 도출은 잘못된 것이었다. 즉, 그의 결론은 그의 전제에서 나온 것이 아니었기 때문에, 많은 사람들은 그것이 의미 있는 이론적 노력이라고 생각하지 않았다.게다가 태양의 중력장에서의 빛의 편향을 예측한 값은 3/[10][11][12]2계수에 의해 너무 높았다.

로렌츠

1900년에 헨드릭 로렌츠는 그의 에테르 이론과 맥스웰 방정식을 바탕으로 중력을 설명하려고 했다.르 세이지형 모델을 제안(그리고 거절)한 후, 그는 오타비아노-파브리치오 모소티와 요한 카를 프리드리히 욜너처럼 반대되는 하전 입자의 흡인력이 등전하 입자의 반발력보다 더 강하다고 가정했다.그 결과로 생기는 순력은 정확히 만유인력이라고 알려진 것인데, 이 중력의 속도는 빛의 속도이다.이것은 아이작 뉴턴의 만유인력의 법칙과의 충돌로 이어지는데, 피에르-시몽 라플라스는 유한한 중력 속도가 일종의 수차로 이어지고 따라서 궤도를 불안정하게 만든다는 것을 보여주었다.하지만, 로렌츠는 맥스웰 방정식의 구조 때문에 v/c2 순서로만2 효과가 발생하기 때문에 그 이론이 라플레이스의 비판과 관련이 없다는 것을 보여주었다.그러나 로렌츠는 수성의 근일점 진전에 대한 값이 너무 낮다고 계산했다.그는 다음과 같이 [13]썼다.

이러한 용어의 특수한 형식은 수정될 수 있습니다.하지만, 지금까지 언급된 것은 중력이 빛의 그것보다 더 빠른 속도로 전파되는 작용에 기인할 수 있다는 것을 보여주기에 충분하다.

1908년, 앙리 푸앵카레는 로렌츠의 중력 이론을 조사하고 상대성 원리와 양립할 수 있다고 분류했지만, 그는 (로렌츠처럼) [14]수성의 근일점 진행에 대한 부정확한 표시를 비판했다.

로렌츠 공변 모형

앙리 푸앵카레는 1904년 c보다 큰 중력 전파 속도는 (광신호에 의한 동기화에 기초한) 현지 시간 개념과 상대성 원리에 모순될 것이라고 주장했다.그는 다음과 같이 [15]썼다.

빛의 전파속도와 다른 빛의 전파속도가 아닌 다른 신호로 의사소통을 할 수 있다면 어떻게 될까?최적의 방법으로 시계를 조정한 후, 이러한 새로운 신호로 결과를 검증하고 싶다면, 두 스테이션의 공통 변환 동작에 의한 불일치를 관찰해야 한다.라플라스에서 보면만유인력은 빛의 100만 배나 되는 속도로 전달된다는 것은 상상할 수 없는 신호일까요?

그러나 1905년 푸앵카레는 중력장의 변화가 빛의 속도로 전파될 수 있다고 계산했다. 만약 그러한 이론이 로렌츠 변환에 기초한다고 가정한다면 말이다.그는 다음과 같이 [16]썼다.

라플레이스는 빛의 전파보다 전파가 순간적이거나 훨씬 빠르다는 것을 효과적으로 보여주었다.그러나, 라플라스는 유한 전파 속도 ceteris non bron subronly (다른 모든 것들은 변하지 않는다는) 가설을 조사했다; 반대로, 이 가설은 많은 다른 가설들과 결합되어 있고, 그들 사이에 다소 완벽한 보상이 일어날 수 있다.로렌츠 변환의 적용은 이미 우리에게 이것의 많은 예를 제공해 왔다.

헤르만 민코프스키(1907)와 아놀드 소머펠트(1910)도 비슷한 모델을 제안했다.그러나 이러한 시도는 아인슈타인의 일반 상대성 [17]이론으로 빠르게 대체되었다.화이트헤드의 중력 이론(1922년)은 중력 적색 이동, 빛의 굴곡, 근일점 이동 및 샤피로 [18]지연을 설명한다.

일반상대성이론

배경

일반상대성이론은 중력 복사가 존재해야 하고 광속으로 전파되어야 한다고 예측한다: 천천히 진화하고 약한 중력장은 일반상대성이론에 따라 뉴턴 중력의 영향과 같은 효과를 만들어 낼 것이다(위에서 언급한 중력자 또는 힘을 전달하는 다른 어떤 부분의 존재에 의존하지 않는다).클릭)

갑자기 중력 전기적으로 상호작용하는 두 입자 중 하나를 광속에 해당하는 지연 후에 다른 입자가 자리를 비우는 것을 느끼게 할 것이다: 헐스-테일러 쌍성과 같은 별 시스템의 4극 모멘트의 변화로 인한 가속은 많은 에너지를 제거했다.이론적으로 빛의 속도로 이동하는 중력파로 tput)을 사용한다.

두 개의 중력 전기적으로 상호작용하는 입자 앙상블, 예를 들어, 두 개의 행성 또는 별이 서로에 대해 일정한 속도로 움직이는 것은 각각 빛의 속도 지연 없이 다른 물체의 순간적인 위치를 향해 힘을 느낀다. 왜냐하면 로렌츠 불변성은 정적 장에서 움직이는 물체가 무엇을 보고 무엇을 보는지를 요구하기 때문이다.대칭을 이루는 필드를 방출합니다.

따라서 움직이는 물체는 "무동체"에서 나오는 정적 장에서 수차를 볼 수 없기 때문에 로렌츠 불변성은 이전에 움직이는 물체의 기준 프레임에서 (지금은 움직이는) 방출하는 물체의 장선이 지연되거나 단념되어서는 안 된다고 요구하게 됩니다.이동하는 대전 물체(정적 중력장을 방출하는 물체 포함)는 거리를 두고 구부러지지 않고 광지연 효과를 보이지 않는 정적 자기장 선을 나타낸다.

즉, 중력장은 정의상 정적이고 연속적이기 때문에 전파되지 않는다.이러한 정적 필드의 소스가 이전의 등속 프레임에 대해 가속(예를 들어 정지)되면, 그 원거리 필드는 대전된 물체가 등속으로 계속 갱신되는 것처럼 계속 갱신된다.이 효과는 소스 물체가 일정한 속도로 움직이는 프레임에서 먼 곳의 가속되지 않은 이동 전하가 먼 곳에서 보이는 등속 운동을 위해 즉시 "업데이트"되는 것처럼 보이게 합니다.그러나, 논의한 바와 같이, 이것은 원거리 충전체가 현재 정지해 있는 새로운 기준 프레임으로 전환함으로써 언제든지 제거할 수 있는 효과입니다.

중력장의 정적이고 연속적인 중력장 성분은 중력 자기 성분(중력 복사)이 아닙니다. 페트로프 분류를 참조하십시오.중력전장은 정적장이므로 양자화된(이산된) 정보를 초광성으로 전송할 수 없습니다. 즉, 명확한 의미를 갖는 일련의 임펄스를 구성할 수 없습니다(중력과 전자기기는 동일).

약가속 관찰자에 대한 일반 상대성 이론에서의 필드 방향의 수차

주요 기사:리에나르비셰르트 퍼텐셜

일반 상대성 이론에서 중력 상호작용의 유한한 속도는 뉴턴이 원래 우려했던 중력 수차에 대한 일종의 문제로 이어지지 않는다. 왜냐하면 정적 자기장 효과에는 그러한 수차가 없기 때문이다.태양에 대한 지구의 가속도가 작기 때문에(즉, 좋은 근사치에 대해, 두 물체는 변하지 않는 속도로 서로 직선으로 이동하는 것으로 간주될 수 있다), 일반 상대성 이론으로 계산되는 궤도 결과는 먼 거리에서 순간적인 작용을 하는 뉴턴 중력의 그것과 같다.왜냐하면 상대 운동이 일정하게 일정하고 관련된 [19]힘에 대한 편차가 없는 정적 자기장의 거동에 의해 모델링되기 때문이다.계산은 상당히 복잡하지만, 일반 상대성 이론의 정적 장은 가속되지 않은 관찰자(또는 지구와 같이 약하게 가속된 관찰자)가 볼 수 있는 수차 문제를 겪지 않는다는 것을 보여줄 수 있다.마찬가지로 전자기 리에나르의 "정적 용어"는 다음과 같다.이동 전하로부터의 비셰르트 전위 이론은 수차나 위치 후퇴를 겪지 않는다.리에나르의 가속도 및 전자파 방출에 해당하는 용어만 -비허트 전위는 이미터의 시간 지연 위치로 향하는 방향을 나타냅니다.

사실 중력 상호작용이 빛의 속도 이외의 속도로 전파되는 자기 정합성이 있는 중력 이론을 구축하는 것은 매우 쉽지 않으며, 이것은 [20]이 가능성에 대한 논의를 복잡하게 만든다.

공식 규칙

일반 상대성 이론에서 미터법 텐서는 중력 전위를 상징하고, 시공간 다양체의 크리스토펠 기호는 중력장을 상징합니다.조석 중력장은 시공간 곡률과 관련이 있다.

측정값

더 깊은 배경을 원하는 독자를 위해, 중력 속도의 정의와 고정밀 측성 및 다른 기술로 측정한 것에 대한 포괄적인 검토가 교과서 [21]태양계의 상대론적 천체 역학에 나와 있다.

PSR 1913+16 궤도 붕괴

중력 속도(더 정확하게는 중력파의 속도)는 이진 펄서 PSR 1913+16(위에 언급된 헐스-테일러 쌍성계)과 PSR B1534+12의 궤도 붕괴 속도를 관측하여 계산할 수 있다.이 쌍성 펄사의 궤도는 중력 복사 형태의 에너지 손실 때문에 붕괴되고 있습니다.이 에너지 손실의 비율("중력 감쇠")은 측정할 수 있으며, 중력 속도에 따라 다르기 때문에 측정된 값을 이론과 비교하면 중력 속도가 1%[22] 이내인 것으로 나타납니다.그러나, PPN 형식주의 설정에 따르면, 이론적인 결과와 실험적인 결과를 비교함으로써 중력의 속도를 측정하는 것은 이론에 따라 달라질 것이다; 일반 상대성 이론 이외의 이론의 사용은 원칙적으로 다른 속도를 보여줄 수 있지만, 중력 감쇠의 존재는 속도가 그 안에 있을 수 없다는 것을 의미한다.유한.[citation needed]

QSO J0842+1835의 목성 엄폐(검증 완료)

2002년 9월, 세르게이 코페이킨과 에드워드 포말론트는 목성이 밝은 전파원 퀘이사 QSO J0842+1835의 시야를 통과하는 동안 목성의 궤도에 있는 지각 위치에 대한 VLBI 측정 데이터를 사용하여 중력 속도를 간접적으로 측정했다고 발표했다.코페이킨과 포말론트는 중력 속도가 빛의 0.8배에서 1.2배 사이라는 결론을 내렸는데, 이는 중력 속도가 [23]빛의 속도와 정확히 같다는 일반 상대성 이론의 이론적인 예측과 완전히 일치할 것이다.

Clifford M을 포함한 몇몇 물리학자. 윌과 스티브 칼립은 자신들이 측정 결과를 잘못 해석했다는 이유로 이러한 주장을 비판해왔다.특히, 실제 통과에 앞서, 아사다 히데키는 천체물리학 저널 레터스의 논문에서 제안된 실험은 본질적으로 [24]중력 속도가 아닌 빛의 속도를 우회적으로 확인하는 것이라고 이론을 세웠다.

이 논쟁의 토론자들 중 누구도 일반 상대성이론이 "잘못된" 것이라고 주장하지 않는다는 것을 명심해야 한다.오히려, 논쟁의 쟁점은 코페이킨과 포말론트가 그 근본적인 예측 중 하나에 대한 또 다른 검증을 제공했는가 하는 것이다.

그러나 코페이킨과 포말론트는 목성실험 결과가 AAS 과학조직위원회 전문가들에 의해 상호 검토된 뒤 열린 미국천문학회(AAS) 기자회견에서 자신들의 사례와 결과 발표 방법을 놓고 치열한 논쟁을 벌이고 있다.Kopeikin과 Fomalont가 나중에 출판한 책에서, 저자들은 아사다의 주장이 이론적으로 [25]타당하지 않다고 주장했다.두 개의 늘 원뿔은 일반 상대성 이론에서 겹치는데, 이것은 중력 속도 효과를 추적하는 것을 어렵게 하고 중력 지연 전위의 특별한 수학적 기술을 필요로 한다. 코페이킨과 공동[26][27] 저자들에 의해 연구되었지만 아사다와/또는 다른 비평가들에 의해 적절하게 사용된 적은 없다.

스튜어트 사무엘은 또한 그 효과가 [28]측정하기에는 너무 작았기 때문에 그 실험은 실제로 중력의 속도를 측정하지 않았다는 것을 보여주었다.코페이킨과 포말론트의 반응은 이 의견에 [29]이의를 제기한다.

GW170817과 중성자별 2개의 소멸

중력파와 감마선을 통해 관측된 중성자별 인스피럴의 최종 결과인 2017년 GW170817의 검출은 현재 빛의 속도와 중력의 속도 사이의 차이에 가장 좋은 한계를 제공한다.광자는 최대 중력파 방출 후 1.7초 후에 검출되었으며, 0~10초의 지연을 가정할 때, 중력과 전자파의 속도GW v - v는EM [30]빛의 속도보다 -3×10−15~+7×10배−16 사이로 제한된다.

이것은 또한 스칼라-텐서 [31][32][33][34]이론의 변형, 혼데스키 [35]이론의 사례, 호나바-리프시츠 [36][37][38]중력을 포함한 일반 상대성 이론의 일부 대안들을 제외했다.

메모들

  1. ^ 정확한 값: (299792458 × 60 × 24 / 149597870700) AU/일
  2. ^ 정확한 값: (99992651µ/10246429500) pc/y

레퍼런스

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