重力的速度是多少？光速嗎？事實比你想象的更復雜！

我們經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？可能你心里已經有答案了，畢竟作為一個喜歡科學的人，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，因為你要清楚重力波可不是電磁波，為何是你認為的哪個速度？我們今天 就來談論這個問題。

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生什么變化?地球會像一個旋轉的小球一樣，在繩子斷裂的瞬間，以直線飛離軌道，或者地球會繼續在行星軌道上繞著空無一物的中心運行一段時間？所以我們就要探尋重力的速度是多少？

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

但在廣義相對論下，情況會變得很復雜。首先，不是質量本身導致了引力。而是所有形式的能量包括質量在內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行。

如果我們有超能力把太陽移走，會發生什么?在廣義相對論中，空間確實會立刻發生改變，但空間會像一張有彈性的網一樣并不會立即恢復到最初的狀態，關于這一點我們毋庸置疑。我們可以想象一個池塘的表面，當你往池塘扔一塊石頭，水波的擾動從中心會向外發出漣漪!

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

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

事實證明，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，地球現在感覺到的太陽重力，實際上是把它拉向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，而這一預測結果將與一個世紀前對行星軌道的觀測結果完全不同，所以當時廣義相對論馬上就被認定為錯誤的。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:

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

所以我們得出結論：物體的運動可以擾動引力場，引力場會發生變化。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。但人們發現有限的重力速度讓重力場的變化和物體速度相關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繞!我們就可以測試重力是否以光速運動!目前我們已經發現了具有這種精確結構的多個獨立的雙星脈沖星!

在雙脈沖星中，不僅引力源(星#1)在運動，另一個引力源(星#2)也在改變它的速度，因為它在圍繞引力源的軌道上發生了方向上的改變!但這種效應導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測對光速極其敏感，即使是觀測的第一個雙星脈沖星系統PSR 1913+16（或Hulse-Taylor雙星系統），我們測量的引力速度均限制為光速，誤差僅為0.2%！

科學家在2002年做了一個更直接的測量，當時一個偶然的巧合把地球、木星和一個非常強的射電類星體(QSO J0842+1835)排列在同一條直線上!當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，這與愛因斯坦的預測完全一致。

從非常罕見的脈沖星系統得到的間接測量給了重力速度最嚴格的限制，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測的一次驚人的驗證。對不起，牛頓！愛因斯坦又對了。