Fysikere gør hurtige fremskridt med at begrænse tyngdekraften

(Phys.org) - Seneste gravitationsbølgedetektioner har givet fysikere mulighed for med større og større præcision at bekræfte, hvad Einstein forudsagde for over 100 år siden i teorien om generel relativitetsteori:at tyngdekraften ikke virker øjeblikkeligt, som Newton troede, men formerer sig i stedet med lysets hastighed.

"Tyngdekraftens hastighed, som lysets hastighed, er en af ​​de grundlæggende konstanter i universet, "Neil Cornish, fysiker ved Montana State University, fortalt Phys.org . "Indtil gravitationsbølge -astronomiens fremkomst, vi havde ingen måde at måle tyngdekraftens hastighed direkte. "

I løbet af de sidste par måneder, fysikere har gjort meget hurtige fremskridt med at begrænse tyngdekraften ved hjælp af gravitationsbølgeobservationer.

I første omgang, de første LIGO -detektioner af gravitationsbølger begrænsede tyngdekraftens hastighed til inden for 50% af lysets hastighed.

I et papir, der blev offentliggjort i sidste uge i Fysisk gennemgangsbreve , Cornish og hans medforfattere Diego Blas ved CERN og Germano Nardini ved University of Bern har kombineret de tre første gravitationsbølgehændelser rapporteret af LIGO- og Jomfru -samarbejdet, giver dem mulighed for at forbedre de originale grænser inden for cirka 45% af lysets hastighed.

Bare to dage senere (og efter at de ovennævnte fysikere skrev deres papir), et andet papir blev offentliggjort i The Astrophysical Journal Letters af LIGO- og Jomfru -samarbejdet, hvis forfattere er tilknyttet næsten 200 institutioner rundt om i verden. Ved at bruge data fra gravitationsbølgerne udsendt af en fusion af binær neutronstjerne, der blev opdaget i august, de var i stand til at begrænse forskellen mellem tyngdekraftens hastighed og lysets hastighed til mellem -3 x 10 ^-15 og 7 x 10 ^-16 gange lysets hastighed.

Grunden til det enorme spring i præcision er, at neutronstjernebegivenheden ikke kun udsendte gravitationsbølger, men også elektromagnetisk stråling i form af gammastråler. Den samtidige emission af både gravitationsbølger og lys fra den samme kilde tillod forskerne at sætte grænser for tyngdekraften, der er mange størrelsesordener strengere end det, der kunne sættes ved hjælp af gravitationsbølgesignaler alene.

Afhængigt af om en astrofysisk kilde udsender både gravitationsbølger og lys eller kun den tidligere, forskere tager forskellige tilgange til at begrænse tyngdekraften. Når en kilde udsender både gravitationsbølger og lys, forskere kan måle forskellen (hvis nogen) i ankomsttiden for de to forskellige typer signaler på en enkelt detektor. I AJL papir, forskerne målte en ankomstforsinkelse på blot et par sekunder mellem signaler, der tilbagelagde en afstand på mere end hundrede millioner lysår. En sådan lille forsinkelse på tværs af denne afstand betragtes stort set som ingenting.

På den anden side, når en kilde kun udsender gravitationsbølger, forskere skal registrere det samme signal i flere jordbaserede detektorer og måle (meget lille) forskel i ankomsttider. Forskerne i PRL papir gjorde dette ved at sammenligne signaler opdaget af to LIGO -detektorer placeret 1800 miles fra hinanden:en i Hanford, Washington, og den anden i Livingston, Louisiana.

Som fysikerne forklarer, det er muligt at forbedre grænserne for tyngdekraften kraftigt ved hjælp af kilder, der kun udsender gravitationsbølger. For eksempel, ved hjælp af fire detektorer placeret forskellige steder på Jorden, med fem gravitationsbølgehændelser til sammenligning, begrænsningerne kunne forbedres til inden for 1% af lysets hastighed. Men de kunne stadig ikke nå præcisionsgraden af ​​eksperimenter, der har adgang til både tyngdekraften og lyset.

Samlet set, afgrænsning af lysets hastighed har mange betydelige konsekvenser for grundlæggende fysik og kosmologi. En af de største konsekvenser er, at de stramme grænser giver en mere præcis test af generel relativitet og udelukker foreslåede alternativer til generel relativitet.

"Mange alternative teorier om tyngdekraften, herunder nogle, der er blevet påberåbt for at forklare universets accelererede ekspansion, forudsige, at tyngdekraftens hastighed er forskellig fra lysets hastighed, "Cornish sagde." Flere af disse teorier er nu blevet udelukket, derved begrænser måderne, hvorpå Einsteins teori fornuftigt kan ændres, og gør mørk energi til en mere sandsynlig forklaring på den accelererede ekspansion. "

© 2017 Phys.org