اسأل إيثان: ما هي سرعة انتقال موجات الجاذبية؟

أحد أكثر التنبؤات غير المتوقعة لنظرية أينشتاين العامة للنسبية هو وجود ليس فقط المادة والإشعاع وأشكال الطاقة الأخرى القائمة على الجسيمات ، ولكن أيضًا وجود إشعاع الجاذبية نفسه ، وهو "تموج" أساسي على نسيج الزمكان. هذا هو أحد أصعب المفاهيم التي يجب فهمها ، ويريد قارئنا معرفة المزيد حول هذا الموضوع:

موجات الجاذبية هي اضطرابات السفر في الزمكان بسرعة c. ومع ذلك ، يمكن أن يتمدد الزمكان وينكمش بشكل أسرع مع. لكن التوسع ، يليه الانكماش ، هو في الواقع تعريف موجة الضغط. يبدو أنه مفارقة: تتحرك موجات الجاذبية بسرعة ج ، ولكن يبدو أن هناك إمكانية لحركة فائقة السطوع. كيفية حلها؟

بادئ ذي بدء ، لنبدأ بمفهوم هذا الإشعاع ، وكيف يبدو.



في الكهرومغناطيسية ، حتى في الكلاسيكية ، هناك شيئان فقط ضروريان لظهور الإشعاع الكهرومغناطيسي: الشحنة والمجال الذي تتحرك من خلاله. يمكن أن تكون الشحنة الكهربائية موجبة (مثل البروتون) وسلبية (مثل الإلكترون) ، وإذا تحركت في مجال مغناطيسي ، فسوف تسرعه وتدور ، وترسله على مسار دوري أو حلزوني.

كلما كان المجال أقوى ، كلما زادت السرعة ، وزادت نسبة الشحن إلى الكتلة ، زاد التسارع (أو التغيير في الحركة).



ولكن في مثل هذه التفاعلات ، يجب الحفاظ على الطاقة والزخم ، وبالتالي ، في الكهرومغناطيسية في كل مرة يتم فيها تسريع الشحنة بواسطة مجال خارجي ، يجب أن ينبعث منها إشعاعًا. يتجلى في شكل فوتونات ، ويسمى ، اعتمادًا على طريقة الحدوث ، bremsstrahlung (بالألمانية: Bremsstrahlung) ، سيكلوترون أو إشعاع السنكروترون .

في الفيزياء النيوتونية ، لن يكون هناك إشعاع جاذبية ، لكن النسبية العامة لأينشتاين تغير كل شيء. المصادر الضخمة - مثل الجسيمات - لها تناظرية لشحنة الجاذبية ، والفضاء المنحني هو تناظري لمجال الجاذبية. في كل مرة يتحرك جسيم ضخم في مساحة منحنية ، ويمكن أن يكون منحنيًا بقوة بجوار نجم أو قزم أبيض أو نجم نيوتروني أو ثقب أسود ، فإنه ينبعث من تناظرية للإشعاع الكهرومغناطيسي: إشعاع الجاذبية.



لن يكون هذا الشكل الجديد من الإشعاع الفوتون أو أي نوع آخر من الإشعاع ، بل موجة جاذبية تنتشر في نسيج الفضاء نفسه. بالنسبة لكتلة من الأرض ، تدور حول الشمس ، يكون إشعاع الجاذبية صغيرًا جدًا بحيث يستغرق التغيير الملحوظ في المدار حوالي 10¹⁴⁰ عمر الكون. لن نلاحظ هذا أبدا. ولكن بالنسبة للأنظمة ذات الكتل الأكبر والمسافات الأقصر والحقول الأقوى ، فإن العواقب أكثر خطورة: بالنسبة إلى النجوم النابضة المزدوجة أو التي تدور حول ثقب أسود فائق الكتلة في مركز مجرتنا أو دمج الثقوب السوداء. في مثل هذه الحالات ، يمكن للمرء أن يلاحظ انخفاضًا في المدار ، وبسبب الحاجة إلى الحفاظ على الطاقة ، فإننا نعلم أن شيئًا ما يأخذها.



يجب أن يكون هذا إشعاعًا جاذبيًا (وهو أيضًا موجات جاذبية) ، وبفضل مراقبة النجوم النابضة المزدوجة ، نعلم أن سرعة هذا الإشعاع يجب أن تكون مساوية لسرعة الضوء بدقة 0.2٪! وبعبارة أخرى ، تتحرك الموجات عبر الفضاء بنفس سرعة الفوتونات. والفرق الرئيسي هو أنه في حالة إشعاع الجاذبية ، فإن هذه الموجات هي جزء لا يتجزأ من نسيج الفضاء.



فماذا يحدث إذا لم يتم إنشاء هذه الموجات ، كما هو موضح في سؤال القارئ ، في مساحة ثابتة ، ولكن في الكون الآخذ في الاتساع؟ إنها تتمدد وتتوسع مثل الفوتونات.

يمتد الطول الموجي لفوتون يسافر في عالم متمدد إلى جانب تمدد الفضاء. ينخفض ​​تركيز وطاقة هذه الجسيمات ، وعلى الرغم من أنها تنتشر دائمًا بسرعة الضوء ، تزداد المسافة بين المصدر والمراقب. على سبيل المثال ، في بداية الانفجار الكبير الساخن ، قبل 13.8 مليار سنة ، بعد 10 إلى ³³ ثانية فقط من التضخم:
• الفوتون الذي وصلنا اليوم سيكون على بعد 100 متر منا قبل 13.8 مليار سنة.
• سافر 13.8 مليار سنة ، وسافر 13.8 مليار سنة ضوئية عبر الكون الآخذ في الاتساع ، وسيزداد طوله الموجي بمقدار 28 مرتبة.
• سيكون مصدر الفوتون الذي وصلنا اليوم 46.1 مليار سنة ضوئية منا.



يبدو مجنونا؟ هذا الجنون نفسه يحدث مع موجات الجاذبية! يجب أن تنتشر تموجات الجاذبية أيضًا من خلال الكون المتوسع ، كما تتحرك في الفضاء بسرعة الضوء (تتمدد أم لا) ، ويمتد طولها الموجي تمامًا مثل الفوتونات. موجات الجاذبية "تركب" على نسيج الفضاء بنفس طريقة موجات الماء "تركب" على سطح الماء. إذا أسقطت حجرًا في نهر ، فلن تنتشر التموجات إلى الخارج على طول نصف القطر. سوف ينتشر إلى الخارج ، وفي نفس الوقت سيحمله النهر.



تعمل تموجات الجاذبية على نسيج الفضاء بنفس الطريقة تقريبًا: تتحرك الموجات بالسرعة التي تتحرك بها دائمًا في الوسط - بسرعة الضوء ج - ولكن في بعض الأحيان يتحرك الوسط أيضًا. هذا لا يعني أنها تتجاوز سرعة الضوء ، تمامًا كما لا تتجاوزها الفوتونات عندما تكون 46 مليار سنة ضوئية من المصدر الذي بدأت منه رحلتها قبل 13.8 مليار سنة. تعمل موجات الجاذبية كما يجب. النظير للضغط والتوسع جيد جدًا حقًا. تشوه الموجة المارة نسيج الفضاء وجميع الأشياء والجسيمات فيه ، وتمتدهم وتضغطهم بطريقة معينة.



لكنها تنتشر عبر الكون بسرعة الضوء وتأخذ في الاعتبار كيف يتصرف نسيج الفضاء: يتسع أو يتقلص أو يبقى ثابتًا. هذا هو الحل للمفارقة: تنتقل الموجات بسرعة c ، بغض النظر عما يحدث للبيئة التي تمر من خلالها!

Source: https://habr.com/ru/post/ar401307/