如果太陽突然"嘭"地消失了,地球會怎樣?根據普通常識,我們會立即飛出軌道,對吧?
錯!我們會繼續傻乎乎地沿著橢圓軌道運行整整8分20秒,然后才意識到"哎呀,太陽沒了",接著才會像醉漢一樣直線飛走。
為什么?因為引力速度和光速完全相同。這不是巧合,而是宇宙編碼中的硬核設定。
牛頓:宇宙的第一個bug報告者
在愛因斯坦帶著他那標志性的瘋狂頭發和相對論出現之前,牛頓的萬有引力定律統治著物理學界。這個公式簡單得令人發指:
F = G × m × M ÷ r2
搞定!四個參數就描述了整個宇宙的引力系統:萬有引力常數G、第一個物體的質量m、第二個物體的質量M,以及它們之間的距離r。這個方程之所以能正常工作,唯一的前提是引力必須即時傳播。
但這里有個嚴重的問題:如果引力只能以光速傳播,那地球應該被吸引到太陽8分20秒前所在的位置,而不是它現在的位置。
你猜怎么著?如果真是這樣,我們計算的行星軌道會錯得離譜,就連牛頓本人都能用幾百年前的觀測數據把這種理論扔進桶。
垃圾
事實上,要讓牛頓的方程與現代觀測吻合,引力傳播速度必須至少是光速的200億倍。基本上,這就是在說引力傳播速度必須是無限的。
愛因斯坦:宇宙編碼的重構大師
愛因斯坦看到牛頓理論的這個漏洞,挑了挑他那標志性的眉毛,說:"這里有點問題啊,伙計。"在相對論中,距離不是絕對的,它取決于觀察者的運動。
所以愛因斯坦不得不來個大重構——創造廣義相對論:一個將引力和相對運動融為一體的理論。在這個新理論中,沒有絕對的空間,沒有絕對的時間,更沒有以無限速度傳播的信號。
所有信號要么以光速傳播(如果是無質量粒子),要么以低于光速的速度傳播(如果有質量)。
但這里有個絕妙的轉折:在廣義相對論中,有兩個相互抵消的效應。
首先是"引力偏差",這是由引力的有限傳播速度引起的。其次是"速度依賴相互作用",這是廣義相對論特有的。就像一艘船在海浪中行駛,會因為波浪的起伏而改變位置。
驚人的是,這兩個效應幾乎完美地相互抵消。而只有一個速度值能使這種抵消有效:引力速度必須等于光速。
實驗證明:宇宙不會騙你
理論很美,但我們需要證據。
在我們的太陽系中,太陽的引力場太弱,測量不出這種微妙效應。我們需要在極端環境中測試:比如黑洞或中子星周圍,那里有強大的引力場,距離小,而且物體運動速度快且不斷變化。
脈沖星無疑提供了完美的測試場。當一個脈沖星在二元系統中繞著另一個致密天體運行時,它會發射引力波,消耗系統的能量,導致軌道衰減。這種衰減速率高度依賴于引力速度。
使用第一個發現的雙脈沖星系統PSR 1913+16(又稱Hulse-Taylor雙星),科學家將引力速度限制在光速的0.2%范圍內。這就像在說宇宙編碼中沒有絕對的Bug,最多只有一些四舍五入的誤差。
2002年,一次偶然的天文對齊提供了另一次測試機會。地球、木星和一個強無線電類星體(QSO J0842+1835)排成一線。當木星經過地球和類星體之間時,它的引力效應使星光彎曲,這種彎曲程度取決于引力速度。觀測結果表明,引力速度在每秒2.55億至3.81億米之間,與光速(每秒299,792,458米)相符。
近年來,引力波的首次觀測帶來了更嚴格的限制。2017年,科學家同時檢測到來自中子星-中子星合并的引力波和光信號。伽馬射線信號比引力波信號晚到了1.7秒,而它們跨越了超過1億光年的距離。
這告訴我們,光速和引力速度的差異不超過1/1000000000000000(一千萬億分之一)。這不是一般的精確,這是變態級別的精確!
只要引力波和光子沒有靜止質量,物理定律就要求它們必須以完全相同的速度運動:光速,也就是引力速度。即使在實驗約束變得如此驚人之前,要求一個引力理論同時重現牛頓軌道并保持相對論不變性,就必然導致這一結論。
引力速度就是光速,物理學不允許它是其他任何值。這不是宇宙的一個巧合,而是它運行的必然結果——就像你不能修改游戲源代碼一樣,除非你是宇宙的開發者。
你看到的星星不僅僅是過去的光,也是過去的引力。它們以完全相同的速度向你傳來。宇宙可能很怪異,但至少在這一點上,它保持了一致性。
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