¿La influencia de la gravedad es instantánea?

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Cuando estaba en la universidad, le planteé a mi profesor de astronomía un experimento mental que había estado desconcertando mi mente durante algún tiempo: "Si toda la materia en el Sol desapareciera mágicamente al instante, ¿cuánto tiempo tardaría su gravedad en dejar de tener un efecto en ¿nosotros?" Su respuesta fue que la fuerza de la gravedad es instantánea, a diferencia de la velocidad de la luz, que parece instantánea.

Mi gran pregunta es: "¿Sabemos que es instantáneo?" No podemos mover un objeto lo suficientemente grande como para tener una influencia gravitacional notable lo suficientemente rápido como para medir si crea (o no crea) un fenómeno tipo doppler.

Si se equivocó, ¿cómo sabemos que no es así?

Supuhstar
fuente
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Por lo que sé, no es instantáneo. Cada pieza de información, incluida la debida a la gravedad, viaja a la velocidad de la luz como máximo. Vea esto por ejemplo: en.wikipedia.org/wiki/Action_at_a_distance#Gravity
Takku
No, viaja a la velocidad de la luz. Si el sol desapareciera mágicamente, tomaría 9 minutos hasta que la Tierra dejara de sentir la gravedad.
Fattie

Respuestas:

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La primera pregunta como se indica tiene una respuesta bastante trivial:

"Si el sol desapareciera mágicamente, instantáneamente, junto con todas sus influencias , ¿cuánto tiempo tardaría su gravedad en dejar de afectarnos?"

Dado que la gravedad del Sol se encuentra entre sus influencias, instantáneamente dejaría de tener un efecto en nosotros. Eso es solo parte de la situación mágica, y ni siquiera involucra física. Un poco más interesante es la pregunta sin la parte en negrita.

En la relatividad general, los cambios en el campo gravitacional se propagan a la velocidad de la luz. Por lo tanto, uno podría esperar que la desaparición mágica e instantánea del Sol no afectaría a la Tierra durante aproximadamente ocho minutos, ya que eso es el tiempo que tarda la luz del Sol en llegar a la Tierra.

Sin embargo, esto se confunde porque la desaparición instantánea del Sol mismo viola la relatividad general, ya que la ecuación de campo de Einstein impone una especie de ley de conservación local sobre el tensor de energía de estrés análogo a la no divergencia del campo magnético en el electromagnetismo: en en cualquier vecindario pequeño de espacio-tiempo, no hay fuentes locales o sumideros de energía de estrés; debe venir de algún lado e ir a algún lado. Dado que la desaparición mágica instantánea del Sol viola la relatividad general, no tiene sentido usar esa teoría para predecir lo que sucede en tal situación.

Por lo tanto, la gravedad del Sol que cesa instantáneamente cualquier efecto sobre la Tierra es tan consistente con la relatividad general como tener cualquier tipo de retraso. O para ser precisos, no es más inconsistente.

Mi gran pregunta, ahora, es: "¿Cómo sabemos que es instantáneo?"

No es instantáneo, pero puede parecer así.

No podemos mover un objeto lo suficientemente grande como para tener una influencia gravitacional notable lo suficientemente rápido como para medir si crea (o no crea) un fenómeno tipo doppler.

No tenemos que hacerlo: la dinámica del sistema solar es lo suficientemente rápida. Un cálculo simple debido a Laplace a principios del siglo XIX concluyó que si la gravedad aberraba, la órbita de la Tierra se estrellaría contra el Sol en la escala de tiempo de aproximadamente cuatro siglos. Por lo tanto, la gravedad no aberra apreciablemente: análisis más cuidadosos concluyeron que en el marco newtoniano, la velocidad de la gravedad debe ser mayor que la velocidad de la luz para ser consistente con la falta observada de aberración.2×1010

Esto puede parecer bastante desconcertante con la forma en que encaja con la afirmación de la relatividad general de que los cambios en el campo gravitacional se propagan a la velocidad de la luz, pero en realidad no es tan peculiar. Como analogía, el campo eléctrico de una carga eléctrica en movimiento uniforme se dirige hacia la posición instantánea de la carga, no donde solía estar la carga, como cabría esperar de una velocidad de retardo de luz. Esto no significa que el electromagnetismo se propague instantáneamente: si mueve la carga, esa información estará limitada por , ya que el campo electromagnético cambia en respuesta a su acción. En cambio, es algo que es cierto para moverse uniformementedocargas: el campo eléctrico "anticipa" dónde estará el cambio si no influye en él. Si la velocidad de carga cambia lo suficientemente lentamente, parecerá que el electromagnetismo es instantáneo, aunque en realidad no lo sea.

La gravedad hace esto aún mejor: el campo gravitacional de una masa de aceleración uniforme está hacia su posición actual. Por lo tanto, la gravedad "anticipa" dónde se basará la masa no solo en la velocidad actual, sino también en la aceleración. Por lo tanto, si las condiciones son tales que la aceleración de los cuerpos gravitacionales cambia lentamente (como es el caso en el sistema solar), la gravedad se verá instantánea. Pero esto solo es aproximadamente cierto si la aceleración cambia lentamente, es solo una muy buena aproximación bajo las condiciones del sistema solar. Después de todo, la gravedad newtoniana funciona bien.

Se puede encontrar un análisis detallado de esto en Steve Carlip's Aberration and the Speed ​​of Gravity , Phys. Let. A 267 : 81-87 (2000) [arXiV: gr-qc / 9909087 ].

Si se equivocó, ¿cómo sabemos que no es así?

Tenemos mucha evidencia de la relatividad general, pero la mejor evidencia actual de que la radiación gravitacional se comporta como GTR dice que es binaria de Hulse-Taylor . Sin embargo, todavía no hay observación directa de la radiación gravitacional. La conexión entre el grado de cancelación aparente de los efectos dependientes de la velocidad tanto en el electromagnetismo como en la gravedad, incluida su conexión con la naturaleza dipolar de la radiación EM y la naturaleza cuadrupolo de la radiación gravitacional, también se puede encontrar en el artículo de Carlip.

Stan Liou
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lo siento, por "junto con todas sus influencias", quise decir que no quedaría, como, un pozo gravitatorio o algo que quedara donde estaba. No quise decir que sus influencias se eliminarían mágicamente de todo el universo.
Supuhstar
Si entiendo esto correctamente, parece que experimentamos una fuerza gravitacional dirigida al punto donde está el Sol ahora , no donde estaba hace 8 minutos (este último es donde lo vemos). Pero si el núcleo del Sol se derrumbara repentinamente y pudiéramos detectar las ondas gravitacionales resultantes, las detectaríamos 8 minutos después del evento, y desde una dirección que coincida con la posición visible del Sol, no desde la dirección de la aparente gravedad gravitacional. fuerza. ¿Es eso correcto?
Keith Thompson el
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@KeithThompson sí, es cierto, con pequeñas advertencias. Detectaríamos ondas gravitacionales si el momento cuadrupolo del Sol cambia violentamente en el colapso unos 8 minutos después. (Expreso las cosas de esta manera porque, por ejemplo, un colapso del núcleo esféricamente simétrico no irradiaría gravitacionalmente.)
Stan Liou
8
¿Le sería posible actualizar su respuesta utilizando la confirmación LIGO de ondas gravitacionales?
Tanenthor
1
@Tanenthor Sé que "cambiar rápidamente" no es exactamente exacto, pero es el mejor aviso que puedo poner en esta publicación para indicar que no ha tenido en cuenta los últimos resultados.
called2voyage
7

En realidad, la gravedad "instantánea" era parte de la teoría de la gravedad de Newton. Ahora se entiende que la "velocidad de la gravedad" es igual a la velocidad de la luz según la relatividad general. http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_gravity

Al parecer, esto se confirmó recientemente y se describe con mayor detalle aquí: https://medium.com/starts-with-a-bang/what-is-the-speed-of-gravity-8ada2eb08430#.kgnvcvxo2

Jonathan
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¡Guay! Entonces, la Tierra, en mi escenario, continuaría orbitando alrededor de nada durante ~ 8 minutos antes de ser arrojada a quién sabe dónde.
Supuhstar
Sí, creo que eso es lo que sucedería. Sin embargo, no nos daríamos cuenta de que faltaba el sol hasta la marca de ~ 8 minutos porque la luz tampoco nos habría llegado. Si el sol se fuera, no nos daríamos cuenta (luz o gravedad) hasta unos 8 minutos más tarde (si la relatividad general es correcta).
Jonathan
1
Todavía hay un pequeño espacio para discutir: "Su cifra real era 1.06 veces la velocidad de la luz, pero hubo un error de más o menos 0.21".
Wayfaring Stranger
El segundo enlace está roto y, por lo tanto, también esta respuesta. Se desaconsejan las respuestas de solo enlace.
Rob Jeffries
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Actualizado 2018: la respuesta de @Stan Liou es excelente, pero desde que escribió esa respuesta, hemos medido con precisión la velocidad de las ondas gravitacionales y hemos confirmado con un alto grado de precisión que es la velocidad de la luz en el vacío.

En agosto de 2017, LIGO observó GW170817, una estrella de neutrones inspiral. Los observatorios de rayos X en órbita detectaron rayos X de la colisión con una diferencia máxima de 2 segundos en el tiempo de viaje, por lo que se confirma la velocidad de la luz == velocidad de la gravitación. Aquí hay un resumen decente de los resultados.

Mark Olson
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¡Gracias por esto! Se suma mucho a la discusión. ¿Podría citar algunas fuentes para que sea una respuesta aún más fuerte?
Supuhstar
3

Ninguno de nosotros sabría que el Sol había desaparecido hasta que el punto aproximado de ocho minutos había pasado. En ese punto, todos estaríamos gritando rápidamente y entrando en pánico ante la oscuridad absoluta y total que reemplazaría de repente toda la luz del día normal. Las preocupaciones gravitacionales serían la menor de nuestras preocupaciones, creo.

Si sucediera por la noche, aquellos de nosotros en luz artificial se librarían brevemente de la sorpresa. Los que están afuera podrían preguntarse por qué la Luna se apagó repentinamente ... a medida que los ojos se acostumbraban a la oscuridad total, las estrellas en áreas despejadas del cielo serían todo lo que es visible, en cualquier lugar.

La Tierra se congelaría, PDQ; No duraríamos mucho.

Mark Lammas
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No le pregunté a Randall Munroe; No quiero una respuesta de "qué pasaría si el sol desapareciera", sino una respuesta de "cómo sabemos que la gravedad es instantánea", que se ha proporcionado. -1 por no agregar nada a la conversación con tu respuesta.
Supuhstar
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@Supuhstar, podría ser un poco más útil e instructivo para ayudar a un nuevo usuario a obtener mejores respuestas en lugar de ser despectivo. Noto que eres bastante nuevo tú mismo. Como contrapunto, su pregunta no era una "buena", ya que mostraba poca investigación previa y preguntaba sobre un entendimiento personal que no era correcto. Consulte las preguntas frecuentes para saber cómo hacer buenas preguntas.
Jeremy
1
Estoy de acuerdo con @Jeremy; Supuhstar, esta respuesta claramente no es tan terrible como pareces. En realidad lo voté.
HDE 226868
@Jeremy gracias por ayudarme a mí mismo: 3
Supuhstar
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Se han detectado ondas gravitacionales en los últimos años, y estas son simplemente ondas en campos gravitacionales que se propagan a la velocidad de la luz. Sabemos que se propagan a la velocidad de la luz porque así es como funcionan los detectores de ondas de gravedad como LIGO, y porque hemos correlacionado algunas de las señales de gravedad con las señales de luz que llegan al mismo tiempo.

https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817

Ags1
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Gracias por su respuesta, pero parece ser lo mismo que Mark Olson
Supuhstar
-3

Si observa la atracción de la gravedad de la luna en las mareas, notará que la marea está cuatro horas detrás de la luna, por lo tanto, puede suponer que la gravedad no es instantánea.

Bruce
fuente
1
Otros aquí dicen que viaja a la velocidad de la luz. ¿Dices que es mucho más lento que eso, más parecido al sonido?
Supuhstar
3
La razón del retraso (que no siempre es de 4 horas y a veces está por delante de la luna) es que las mareas son flujos de agua y el agua tarda en fluir. La "velocidad de la gravedad" no tiene nada que ver con eso.
James K
Estoy bastante seguro de que las mareas se mueven hacia adelante, no detrás de la luna y esto se debe a que la Tierra gira más rápido que las órbitas de la Luna y no son 4 horas, son aproximadamente 3 grados. Para obtener más información, consulte esta pregunta: astronomy.stackexchange.com/questions/16769/… Esta respuesta probablemente debería eliminarse porque es incorrecta.
userLTK
Se puede encontrar una buena explicación de la fuerza de marea en wiki: en.wikipedia.org/wiki/Tidal_force
Oleg Muir Lou Goff