我們經(jīng)常會看到這樣一個問題，重力的傳播速度是瞬時的，還是有一個速度限制？可能你心里已經(jīng)有答案了，畢竟作為一個喜歡科學(xué)的人，這個問題簡直小兒科！但這并不是一個表面上看起來那么簡單的問題，因?yàn)槟阋宄亓Σǹ刹皇请姶挪�，為何是你認(rèn)為的哪個速度？我們今天 就來談?wù)撨@個問題。

牛頓的瞬時重力速度和愛因斯坦的有限重力速度

我們現(xiàn)在知道光的傳播速度約為30萬公里/秒，即使在太陽突然消失后的8分鐘多一點(diǎn)的時間里我們也能接收到來自太陽的光線!但是重力和地球軌道會發(fā)生什么變化?地球會像一個旋轉(zhuǎn)的小球一樣，在繩子斷裂的瞬間，以直線飛離軌道，或者地球會繼續(xù)在行星軌道上繞著空無一物的中心運(yùn)行一段時間？所以我們就要探尋重力的速度是多少？

這個問題是牛頓經(jīng)典引力理論和愛因斯坦廣義相對論之間最重要的區(qū)別之一。根據(jù)牛頓的理論，有兩個質(zhì)量物體相隔一段距離，質(zhì)量和距離就決定了力的大小。當(dāng)你拿走其中一個物體，力就會立刻消失。

但在廣義相對論下，情況會變得很復(fù)雜。首先，不是質(zhì)量本身導(dǎo)致了引力。而是所有形式的能量包括質(zhì)量在內(nèi)都會影響空間的曲率。所以對于太陽和地球來說，太陽巨大的質(zhì)量控制著它周圍空間的曲率，地球和其他太陽系天體均沿著彎曲空間的軌道運(yùn)行。

如果我們有超能力把太陽移走，會發(fā)生什么?在廣義相對論中，空間確實(shí)會立刻發(fā)生改變，但空間會像一張有彈性的網(wǎng)一樣并不會立即恢復(fù)到最初的狀態(tài)，關(guān)于這一點(diǎn)我們毋庸置疑。我們可以想象一個池塘的表面，當(dāng)你往池塘扔一塊石頭，水波的擾動從中心會向外發(fā)出漣漪!

在愛因斯坦的引力理論中，這些擾動漣漪會以光速運(yùn)動，而不是瞬間達(dá)到。這告訴我們，由物質(zhì)和能量引起的時空扭曲，以及這種扭曲的變化應(yīng)該以C傳播，重力的速度應(yīng)該等于真空中的光速。

根據(jù)這些看法，我就能想到了一個問題。如果引力波不是瞬時的，地球靜止和運(yùn)動會不會造成它感受重力的方式不同？

事實(shí)證明，牛頓的引力理論不在乎重力的速度是多少。但愛因斯坦的引力理論則表明，地球現(xiàn)在感覺到的太陽重力，實(shí)際上是把它拉向8分鐘前的太陽！在8分鐘以上的時間里，太陽的重力不會再影響地球。

如果僅僅是重力速度不同于牛頓引力的重力速度。那么我們對行星軌道的預(yù)測，就是基于像太陽和其他行星在8分鐘前的位置，而這一預(yù)測結(jié)果將與一個世紀(jì)前對行星軌道的觀測結(jié)果完全不同，所以當(dāng)時廣義相對論馬上就被認(rèn)定為錯誤的。但是還有另一個難題，但如果牛頓的理論是正確的，那么重力的速度至少比光速快200億倍！這個現(xiàn)在看來顯然是不正確的。

所以影響地球感受到的引力，不僅僅是行星位置的問題。地球在太空的引力漣漪中飛馳，那么它每時每刻的位置都在改變。這樣將會造成兩種不同的效應(yīng):

• 每個物體的運(yùn)動速度將影響它感受到的重力
• 同樣每個物體的運(yùn)動將引起重力場的變化

所以我們得出結(jié)論：物體的運(yùn)動可以擾動引力場，引力場會發(fā)生變化。這是測量重力速度的前提。

那么我們怎樣測量重力的速度呢

要想測量重力的速度，我們就觀測到引力場的變化，通過周期性的變化來測量速度。但人們發(fā)現(xiàn)有限的重力速度讓重力場的變化和物體速度相關(guān)的相互作用的影響幾乎完全抵消了。但這種抵消的不精確性使我們能夠通過觀察來確定牛頓的“無限重力速度”模型或愛因斯坦的“重力速度=光速”模型是否與我們的宇宙相匹配。

在愛因斯坦理論中，我們知道重力的速度應(yīng)該與光速相同。但是太陽的引力，在測量引力波的變化上顯得太弱了，如果某個物體在一個恒定的重力場中以恒定的速度運(yùn)動，也根本就沒有可觀測的影響。理想情況是，有一個物體以變化的速度通過變化的引力場，我將可以測量引力場的變化。

在非常罕見的情況下，我們會觀測到兩顆中子星相互環(huán)繞!我們就可以測試重力是否以光速運(yùn)動!目前我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了具有這種精確結(jié)構(gòu)的多個獨(dú)立的雙星脈沖星!

在雙脈沖星中，不僅引力源(星#1)在運(yùn)動，另一個引力源(星#2)也在改變它的速度，因?yàn)樗趪@引力源的軌道上發(fā)生了方向上的改變!但這種效應(yīng)導(dǎo)致了軌道非常緩慢地衰減，引起脈沖的時間變化!

愛因斯坦引力理論的預(yù)測對光速極其敏感，即使是觀測的第一個雙星脈沖星系統(tǒng)PSR 1913+16（或Hulse-Taylor雙星系統(tǒng)），我們測量的引力速度均限制為光速，誤差僅為0.2%！

科學(xué)家在2002年做了一個更直接的測量，當(dāng)時一個偶然的巧合把地球、木星和一個非常強(qiáng)的射電類星體(QSO J0842+1835)排列在同一條直線上!當(dāng)木星在地球和類星體之間移動時，木星的引力彎曲使我們能夠測量重力的速度，并排除了重力無限速度的可能，并確定重力的速度在每秒2.55×10^8到3.81×10^8米之間，這與愛因斯坦的預(yù)測完全一致。

從非常罕見的脈沖星系統(tǒng)得到的間接測量給了重力速度最嚴(yán)格的限制，并告訴我們重力速度在每秒2.993×10^8到3.003×10^8米之間，這是也是對廣義相對論預(yù)測的一次驚人的驗(yàn)證。對不起，牛頓！愛因斯坦又對了。