L'influence de la gravité est-elle instantanée?

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Quand j'étais au collège, j'ai posé à mon professeur d'astronomie une expérience de pensée qui avait intrigué mon esprit pendant un certain temps: "Si toute la matière du Soleil disparaissait comme par magie instantanément, combien de temps faudrait-il à sa gravité pour cesser d'avoir un effet sur nous?" Sa réponse a été que la force de gravité est instantanée, contrairement à la vitesse de la lumière, qui apparaît instantanément.

Ma grande question est: "Savons-nous que c'est instantané?" Nous ne pouvons pas déplacer un objet assez grand pour avoir une influence gravitationnelle notable assez rapidement pour mesurer s'il crée (ou ne crée pas) un phénomène de type doppler.

S'il avait tort, comment savons-nous que ce n'est pas le cas?

Supuhstar
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3
D'après ce que je sais, ce n'est pas instantané. Chaque information, y compris celle due à la gravité, se déplace tout au plus à la vitesse de la lumière. Voir ceci par exemple: en.wikipedia.org/wiki/Action_at_a_distance#Gravity
Takku
Non, il voyage à la vitesse de la lumière. Si le soleil disparaissait comme par magie, il faudrait 9 minutes pour que la Terre cesse de ressentir la gravité.
Fattie

Réponses:

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La première question, comme indiqué, a une réponse plutôt triviale:

"Si le soleil disparaissait comme par magie, instantanément, avec toutes ses influences , combien de temps faudrait-il à sa gravité pour cesser d'avoir un effet sur nous?"

Puisque la gravité du Soleil fait partie de ses influences, elle cesserait instantanément d'avoir un effet sur nous. Cela fait partie de la situation magique et n'implique même pas de physique. Un peu plus intéressante est la question sans la partie en gras.

En relativité générale, les changements du champ gravitationnel se propagent à la vitesse de la lumière. Ainsi, on pourrait s'attendre à ce que la disparition magique et instantanée du Soleil n'affecte pas la Terre pendant environ huit minutes, car c'est le temps qu'il faut à la lumière du Soleil pour atteindre la Terre.

Cependant, cela est faux car la disparition instantanée du Soleil lui-même viole la relativité générale, car l'équation du champ d'Einstein applique une sorte de loi de conservation locale sur le tenseur d'énergie de contrainte analogue à la non-divergence du champ magnétique dans l'électromagnétisme: dans tout petit voisinage de l'espace-temps, il n'y a pas de sources ou de puits locaux d'énergie de stress; cela doit venir de quelque part et aller quelque part. Étant donné que la disparition instantanée magique du Soleil viole la relativité générale, il n'est pas logique d'utiliser cette théorie pour prédire ce qui se passe dans une telle situation.

Ainsi, la gravité du Soleil qui cesse instantanément tout effet sur la Terre est tout aussi cohérente avec la relativité générale que toute sorte de retard. Ou pour être précis, ce n'est pas plus incohérent.

Ma grande question, maintenant, est: "Comment savons-nous que c'est instantané?"

Ce n'est pas instantané, mais cela peut apparaître de cette façon.

Nous ne pouvons pas déplacer un objet assez grand pour avoir une influence gravitationnelle notable assez rapidement pour mesurer s'il crée (ou ne crée pas) un phénomène de type doppler.

Nous n'avons pas à le faire: la dynamique du système solaire est assez rapide. Un calcul simple dû à Laplace au début du dix-neuvième siècle a conclu que si la gravité s'aberrait, l'orbite de la Terre s'écraserait sur le Soleil à l'échelle du temps d'environ quatre siècles. Ainsi, la gravité ne s'abaisse pas sensiblement - des analyses plus approfondies ont conclu que dans le cadre newtonien, la vitesse de la gravité doit être supérieure à la vitesse de la lumière pour être cohérente avec le manque d'aberration observé.2×1010

Cela peut sembler un peu déroutant de voir comment cela cadre avec l'affirmation de la relativité générale selon laquelle les changements dans le champ gravitationnel se propagent à la vitesse de la lumière, mais ce n'est pas si particulier. À titre d'analogie, le champ électrique d'une charge électrique se déplaçant uniformément est dirigé vers la position instantanée de la charge - non pas là où la charge était, comme on pourrait s'y attendre d'une vitesse de retard de lumière. Cela ne signifie pas que l'électromagnétisme se propage instantanément - si vous agitez la charge, ces informations seront limitées par , car le champ électromagnétique change en réponse à votre action. Au lieu de cela, c'est juste quelque chose qui est vrai pour se déplacer uniformémentccharges: le champ électrique "anticipe" où sera le changement si aucune influence n'agit sur lui. Si la vitesse de charge change assez lentement, il semblerait que l'électromagnétisme soit instantané, même s'il ne l'est vraiment pas.

La gravité le fait encore mieux: le champ gravitationnel d'une masse qui accélère uniformément est vers sa position actuelle. Ainsi, la gravité "anticipe" où la masse sera basée non seulement sur la vitesse actuelle, mais aussi sur l'accélération. Ainsi, si les conditions sont telles que l'accélération des corps gravitationnels change lentement (comme c'est le cas dans le système solaire), la gravité semblera instantanée. Mais cela n'est approximativement vrai que si l'accélération change lentement - c'est juste une très bonne approximation dans les conditions du système solaire. Après tout, la gravité newtonienne fonctionne bien.

Une analyse détaillée de ceci peut être trouvée dans l' aberration et la vitesse de gravité de Steve Carlip , Phys.Lett.A 267 : 81-87 (2000) [arXiV: gr-qc / 9909087 ].

S'il avait tort, comment savons-nous que ce n'est pas le cas?

Nous avons beaucoup de preuves de la relativité générale, mais la meilleure preuve actuelle que le rayonnement gravitationnel se comporte comme le dit le GTR est le binaire Hulse-Taylor . Cependant, il n'y a pas encore d'observation directe du rayonnement gravitationnel. Le lien entre le degré d'annulation apparente des effets dépendants de la vitesse dans l'électromagnétisme et la gravité, y compris son lien avec la nature dipolaire du rayonnement EM et la nature quadripolaire du rayonnement gravitationnel, peut également être trouvé dans l'article de Carlip.

Stan Liou
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désolé, par "avec toutes ses influences", je voulais dire qu'il ne resterait pas, comme, un puits de gravité ou quoi que ce soit là où il était. Je ne voulais pas dire que ses influences seraient magiquement retirées de l'univers entier.
Supuhstar
Si je comprends bien, nous semblons ressentir une force gravitationnelle dirigée vers le point où se trouve maintenant le Soleil , pas là où il était il y a 8 minutes (ce dernier est là où nous le voyons). Mais si le noyau du Soleil s'effondrait soudainement et que nous pouvions détecter les ondes gravitationnelles résultantes, nous les détecterions 8 minutes après l'événement, et dans une direction correspondant à la position visible du Soleil, et non dans la direction de la gravité apparente Obliger. Est-ce exact?
Keith Thompson
3
@KeithThompson oui, c'est vrai, avec des mises en garde mineures. Nous détecterions les ondes gravitationnelles si le moment quadripolaire du Soleil change violemment dans l'effondrement environ 8 minutes après. (J'exprime les choses de cette façon parce que, par exemple, un effondrement de noyau à symétrie sphérique ne rayonnerait pas par gravité.)
Stan Liou
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Serait-il possible pour vous de mettre à jour votre réponse en utilisant la confirmation LIGO des ondes gravitationnelles?
Tanenthor
1
@Tanenthor Je sais que "changer rapidement" n'est pas exactement précis, mais c'est le meilleur avis que je puisse mettre sur ce post pour indiquer qu'il n'a pas tenu compte des derniers résultats.
called2voyage
7

En fait, la gravité "instantanée" faisait partie de la théorie de la gravité de Newton. On comprend maintenant que la "vitesse de gravité" est égale à la vitesse de la lumière selon la relativité générale. http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_gravity

Cela a apparemment été confirmé assez récemment et est décrit plus en détail ici: https://medium.com/starts-with-a-bang/what-is-the-speed-of-gravity-8ada2eb08430#.kgnvcvxo2

Jonathan
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Cool! Ainsi, la Terre continuerait, selon mon scénario, à ne tourner autour de rien pendant ~ 8 minutes avant d'être jetée dans qui sait où?
Supuhstar
Oui, je pense que c'est ce qui arriverait. Cependant, nous ne remarquerions pas que le soleil manquait jusqu'à environ 8 minutes car la lumière ne nous serait pas arrivée non plus. Si le soleil devait disparaître, nous ne le remarquerions (lumière ou gravité) que 8 minutes plus tard (si la relativité générale est correcte).
Jonathan
1
Il y a encore un peu de place pour chicaner: "Leur chiffre réel était de 1,06 fois la vitesse de la lumière, mais il y avait une erreur de plus ou moins 0,21."
Wayfaring Stranger
Le deuxième lien est rompu et il en est de même de cette réponse. Les réponses en lien uniquement sont déconseillées.
Rob Jeffries
4

Mise à jour 2018: la réponse de @Stan Liou est excellente, mais depuis qu'il a écrit cette réponse, nous avons mesuré avec précision la vitesse des ondes gravitationnelles et confirmé avec un très haut degré de précision qu'il s'agit de la vitesse de la lumière dans le vide.

En août 2017, LIGO a observé GW170817, une étoile à neutrons inspirée. Les observatoires de rayons X en orbite ont détecté des rayons X de la collision avec au plus une différence de 2 secondes dans le temps de déplacement, de sorte que la vitesse de la lumière == la vitesse de gravitation est confirmée. Voici un bon résumé des résultats.

Mark Olson
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Merci pour cela! Cela ajoute beaucoup à la discussion. Pourriez-vous citer quelques sources pour en faire une réponse encore plus forte?
Supuhstar
3

Aucun de nous ne saurait que le Soleil avait réellement disparu jusqu'à ce que le point approximatif de huit minutes soit passé. À ce stade, nous serions tous très rapidement en train de crier et de paniquer devant l'obscurité absolue et totale qui remplacerait soudainement toute la lumière du jour normale. Les préoccupations gravitationnelles seraient le moindre de nos soucis, je pense.

Si cela arrivait la nuit, ceux d'entre nous sous lumière artificielle seraient brièvement épargnés. Ceux qui se trouvent à l'extérieur se demandent peut-être pourquoi la Lune clignote soudainement ... alors que les yeux s'habituent à l'obscurité totale, les étoiles dans les zones claires du ciel seront tout ce qui est visible, n'importe où.

La Terre gèlerait, PDQ; nous ne durerions pas longtemps.

Mark Lammas
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Je n'ai pas demandé à Randall Munroe; Je ne veux pas une réponse «et si le soleil disparaissait», mais une réponse «comment savons-nous que la gravité est instantanée», qui a été fournie. -1 pour ne rien avoir ajouté à la conversation avec votre réponse.
Supuhstar
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@Supuhstar, vous pourriez être un peu plus utile et instructif pour aider un nouvel utilisateur à faire de meilleures réponses au lieu d'être dédaigneux. Je note que vous êtes assez nouveau vous-même. En contrepoint, votre question n'était pas une «bonne» question, en ce sens qu'elle montrait peu de recherches antérieures et portait sur une compréhension personnelle qui n'était pas correcte. Veuillez consulter la FAQ pour savoir comment poser de bonnes questions.
Jeremy
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Je suis d'accord avec @Jeremy; Supuhstar, cette réponse n'est clairement pas aussi terrible que vous le pensez. Je l'ai en fait voté.
HDE 226868
@Jeremy merci de m'aider à m'améliorer moi-même: 3
Supuhstar
0

Des ondes gravitationnelles ont été détectées au cours des deux dernières années, et ce ne sont que des ondulations dans des champs gravitationnels qui se propagent à la vitesse de la lumière. Nous savons qu'ils se propagent à la vitesse de la lumière parce que c'est ainsi que fonctionnent les détecteurs d'ondes de gravité comme LIGO, et parce que nous avons corrélé certains des signaux de gravité avec des signaux lumineux qui arrivent en même temps.

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

Ags1
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Merci pour votre réponse, mais elle semble être la même que celle de Mark Olson
Supuhstar
-3

Si vous regardez l'attraction gravitationnelle de la lune sur les marées, vous remarquerez que la marée a quatre heures de retard sur la lune, vous pouvez donc supposer que la gravité n'est pas instantanée.

Bruce
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1
D'autres ici disent qu'il se déplace à une vitesse légère. Vous prétendez que c'est beaucoup plus lent que ça, plus comme du son?
Supuhstar
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La raison du décalage (qui n'est pas toujours de 4 heures et est parfois en avance sur la lune) est que les marées sont des écoulements d'eau et que l'eau prend du temps à couler. La "vitesse de gravité" n'a rien à voir avec cela.
James K
Je suis presque sûr que les marées se déplacent en avant, pas derrière la lune et cela est dû à la rotation de la Terre plus rapide que les orbites de la Lune et ce n'est pas 4 heures, c'est environ 3 degrés. Pour plus d'informations, consultez cette question: astronomy.stackexchange.com/questions/16769/… Cette réponse devrait probablement être supprimée car elle est incorrecte.
userLTK
Une bonne explication de la force des marées peut être trouvée sur wiki: en.wikipedia.org/wiki/Tidal_force
Oleg Muir Lou Goff