重力的速度能等于光速吗？

如果太阳自发地停止发光，我们在大约8分20秒之后才意识得到。此刻到达地球这里的光，是在过去有限的时间里从太阳的这颗大光球中发射出来的，现在只是在穿越了太阳和地球之间的1.5亿公里（大约9300万英里）的旅程之后才被看到。如果太阳现在就变黑了，我们就不会发现，直到光线停止到达。

时空中的波纹就是引力波，它们以光速在各个方向上穿越空间。尽管电磁学的常数从未出现在爱因斯坦的广义相对论的方程式中，但引力的速度无疑等于光速。原因就在这里。

但是在引力方面呢？如果以某种方式太阳自发地消失了，地球在其椭圆轨道上停留多长时间后才会直线飞走？信不信由你，这个问题的答案一定是与光的时间完全相同：8分20秒。引力的速度不仅在观察上等于光速，而且在理论上这两个常数必须完全相等，否则广义相对论就会崩塌。下面是背后的科学原因。

牛顿的万有引力定律已经被爱因斯坦的广义相对论所取代，但依靠的是距离上的瞬时作用力（力）的概念，而且是非常直接的。这个方程式中的引力常数G，连同两个质量的数值和它们之间的距离，是决定引力的唯一因素。G也出现在爱因斯坦的理论中。

在广义相对论出现之前，我们最成功的重力理论是牛顿的万有引力定律。根据牛顿的说法，空间中任何两个物体之间的引力仅由四个参数定义。

1.宇宙的引力常数，G，这个常数对每个人都是一样的。

2.第一个物体的质量，m，经历引力的物体。(根据爱因斯坦的等价原理，这与运动定律中的m相同，如F=ma。）

3.第二个物体的质量，M，它吸引第一个物体。

4.它们之间的距离，r，从第一个物体的质量中心延伸到第二个物体的质量中心。

请记住，这是牛顿引力中唯一允许的四个参数。你可以根据这个力的定律进行各种计算，例如，推导出围绕太阳的椭圆行星轨道。但这些方程只有在引力是瞬时的情况下才有效。

八大行星的轨道相对于太阳的偏心率和近日点（最接近）与远日点（最远的距离）之间的差异是不同的。没有任何基本的原因可以解释为什么一些行星的偏心率比其他行星高或低；这只是太阳系形成的初始条件的结果。然而，如果你以某种方式关闭太阳的引力作用，行星不会瞬间飞走，而是内部的行星会先飞走，然后是外部的行星，因为来自太阳的引力信号只以引力速度向外传播，而引力速度应该等于光速。

这可能让你有点困惑。毕竟，如果引力的速度只等于光速，而不是一个无限快的力，那么地球应该被吸引到太阳8分20秒前的位置，而不是太阳现在所在的位置，在这个特定的时间瞬间。但是，如果你不这样计算，而是让地球被吸引到太阳过去的位置，而不是它现在的位置，你就会得到一个对其轨道的预测，这个预测是如此彻底的错误，以至于牛顿本人，凭借不到100年的高质量观测（到第谷·布拉赫时期），就能排除它。

事实上，如果你用牛顿定律来计算行星的轨道，并要求它们与现代观测结果相匹配，那么引力的速度不仅要比光速快，而且至少要比光速快200亿倍：与无限的速度没有区别。

一个关于行星如何围绕太阳运行的准确模型，然后太阳以不同的运动方向在银河系中运动。如果太阳简单地眨眼消失，牛顿的理论预测它们都会瞬间直线飞走，而爱因斯坦的理论则预测内行星会在比外行星更短的时间内继续绕行。

问题是这样的：如果你有一个中心力，例如像地球这样的约束粒子被吸引到太阳，但以有限的速度围绕太阳运动，如果该力的传播速度是无限的，你将只能得到一个纯粹的椭圆轨道。如果它是有限的，朝向另一个质量，那么你不只是得到一个径向加速度，而且还得到一个使你的粒子切向加速的成分。

这将使轨道不仅是椭圆的，而且是不稳定的。在仅仅一个世纪的范围内，轨道将发生重大变化。到1805年，拉普拉斯用对月球的观测证明，牛顿重力的速度必须比光速大700万倍。而根据现代制约测量因素，现在重力的速度是光速的200亿倍，这对牛顿来说是很好的。但这一切都给爱因斯坦带来了巨大的负担。

相对论运动的一个革命性的方面，由爱因斯坦提出，但以前由洛伦茨、菲茨杰拉德和其他人建立，即快速移动的物体似乎在空间上收缩，时间上扩张。相对于静止的人来说，你的运动速度越快，你的长度似乎收缩得越大，而外部世界的时间似乎扩张得越多。这幅相对论力学的图景，取代了经典力学的旧牛顿观点，但也对不是相对论不变的理论，如牛顿引力，有巨大的影响。

根据爱因斯坦，从概念上讲，牛顿的引力定律有一个很大的问题：任何两个物体之间的距离都不是一个绝对量，而是取决于观察者的运动。如果你朝向或远离你画的任何假想线，该方向的距离将收缩，这取决于你们的相对速度。为了使引力成为一个可计算的量，所有的观察者都必须得出一致的结果，而这是你把相对论与牛顿的引力定律结合起来所不能得到的。

因此，爱因斯坦认为，你必须发展一种理论，将引力和相对论运动结合起来，这意味着发展广义相对论：一种将引力纳入其中的相对论运动理论。一旦完成，广义相对论讲述了一个截然不同的故事。

用动画的方式看一下当质量在其中移动时，时空是如何反应的，有助于准确地展示，从质量上看，它不仅仅是一片织物，而是所有的空间本身被宇宙中的物质和能量的存在和属性所弯曲。请注意，只有当我们不仅包括大质量物体的位置，而且包括该质量在整个时间内的位置时，时空才能被描述。瞬时位置和该物体所处的过去历史都决定了在宇宙中运动的物体所经历的力。

为了让不同的观察者对引力的作用方式达成一致，不可能有绝对的空间、绝对的时间，也不可能有以无限速度传播的信号。相反，对于不同的观察者来说，空间和时间都必须是相对的，这时就会出现两种情况，如果传播的粒子是无质量的，那么信号只能以完全等于光速的速度传播，或者如果粒子有质量，那么信号将会以低于光速的速度传播。

不过，为了使这一点得以实现，必须有一个额外的效应来抵消非零切向加速度的问题，这是由有限的重力速度引起的。这种现象被称为引力畸变，几乎完全被广义相对论也有速度相关的相互作用这一事实所抵消。例如，当地球在太空中移动时，它感到来自太阳的力随着它的位置改变而改变，就像一艘在海洋中行驶的船在被经过的波浪抬起又放下时，会在不同的位置下来一样。

根据美国物理学会，每当一个质量围绕另一个质量运行时，就会发出引力辐射，这意味着在足够长的时间尺度内，轨道会衰变。在第一个黑洞消失之前，地球将螺旋式地进入太阳剩下的任何部分，假设之前没有其他东西将其弹出。地球被吸引到太阳大约8分钟前的位置，而不是它今天的位置。

难能可贵的是，也绝非显而易见的是，这两种效应几乎完全抵消。引力的速度是有限的这一事实是诱发这种引力畸变的原因，但广义相对论（不同于牛顿引力）具有与速度有关的相互作用这一事实使牛顿引力能够成为一个如此好的近似。只有一个速度可以使这个取消成为一个好的取消：如果重力的速度等于光速。

所以这就是为什么引力的速度应该等于光速的理论动机。如果你想让行星轨道与我们所看到的一致，并且对所有观察者都一致，你需要一个等于c的重力速度，并且让你的理论具有相对不变性。不过，还有一个注意事项。在广义相对论中，引力畸变和与速度有关的项之间的抵消几乎是精确的，但也不完全是。只有正确的系统才能揭示爱因斯坦和牛顿的预测之间的差异。

当一个质量在一个弯曲的空间区域移动时，由于它所居住的弯曲空间，它将经历一个加速度。当它在一个空间曲率不断变化的区域中移动时，它还会因其速度而经历一个额外的影响。这两种效应结合在一起，导致与牛顿引力的预测有轻微的、微小的差异。

在我们附近，太阳的引力太弱，无法产生可测量的效果。在一个有大梯度的引力场中，你想要的是一个系统，在离大质量源的小距离上有大的引力场，运动物体的速度既快又迅速变化（加速）。

我们的太阳没有给我们这些，但是双体黑洞或双体中子星周围的环境却给了我们这些! 理想情况下，一个有大质量物体在不断变化的引力场中以变化的速度运动的系统将展示这种效应。而一个双中子星系统，其中一颗中子星是一个非常精确的脉冲星，正好符合这个条件。

当你有一个单一的物体，如脉冲星，在太空中运行时，它将在每次完成360度旋转时向一个偶然对准的观察者脉冲。如果你把这个脉冲星与另一个密集的大质量物体放在一个双星系统中，它就会在这个空间中快速移动，同时表现出引力畸变和速度依赖性相互作用的影响，而它们的不精确抵消使得科学家能够从牛顿的预测中分辨出这个系统的相对论预测。

脉冲星，尤其是毫秒级的脉冲星，是宇宙中最好的自然时钟。当中子星旋转时，它发出的电磁辐射喷射有机会与地球的视角对齐，每360度旋转一次。如果对准是正确的，我们将观察到这些脉冲的到来，其准确性和精确性是非常可预测的。

然而，如果脉冲星是在一个双星系统中，那么在这个不断变化的引力场中移动将引起引力波的发射，而引力波会将能量从引力系统中带走。这些能量的损失必须来自某处，并由脉冲星轨道的衰变来补偿。脉冲星衰变的预测对引力的速度高度敏感；甚至利用有史以来自己发现的第一个双体脉冲星系统，天文学命名为：PSR 1913+16（或Hulse-Taylor双体），使我们能够将引力的速度限制在等于光速的范围内，仅在0.2%以内。

双星脉冲星的轨道衰变速度高度依赖于引力速度和双星系统的轨道参数。我们利用双星脉冲星数据将引力速度约束为等于光速，精度达到99.8%，并在LIGO和Virgo软件模拟上探测到引力波的几十年前推断出引力波的存在。然而，对引力波的直接探测是科学进程的一个重要部分，如果没有它，引力波的存在仍然是个疑问。

从那时起，其他的测量也证明了光速和重力速度之间的等价性。2002年，偶然的巧合使地球、木星和一个非常强的射电类星体（天文学被称为QSO J0842+1835）全部对齐。当木星从地球和类星体之间经过时，它的引力效应导致星光以一种与重力速度相关的方式弯曲。

事实上，木星确实弯曲了来自类星体的光线，使我们能够排除无限的引力速度，并确定它实际上是在2.55亿到3.81亿米/秒之间，与光速的精确值（299,792,458米/秒）和爱因斯坦的预测一致。甚至在最近，对引力波的首次观测给我们带来了更严格的约束。

快速伽马射线的插图，长期以来被认为是由中子星的合并产生的。它们周围富含气体的环境可能会延迟信号的到达，解释了观察到的引力和电磁信号的到达之间的1.7秒差异。这是我们观察到的最好的证据，证明引力的速度必须等于光速。

从最开始探测到的引力波以及它们在贵州天眼FAST和南京紫金山天文台的到达时间差异中，我们直接了解到引力的速度等于光速，大约在70%以内，这对脉冲星的时间限制来说并不是一个改进。但是，当2017年看到引力波和来自中子星-中子星合并的光同时到来时，伽马射线信号仅仅在引力波信号之后1.7秒到来，跨越了1亿多光年的旅程，这一事实告诉我们，光速和引力速度的差别不超过四亿分之一。

只要引力波和光子没有静止质量，物理学定律就决定了它们必须以完全相同的速度运动：光速，它必须等于重力速度。即使在约束条件变得如此壮观之前，要求引力理论再现牛顿轨道，同时又是相对不变的，就会得出这个不可避免的结论。引力的速度正好是光速，物理学不会允许它是其他方式。

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