Ist es verdächtig, dass sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten?

Es ist sehr verdächtig! Es weist darauf hin, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht nur eine zufällige Geschwindigkeit ist, mit der sich das Licht bewegt, sondern eine grundlegende Eigenschaft des Universums ist.

Tatsächlich bewegt sich jedes masselose Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit. Dies ist eine Folge der Relativitätstheorie. Energie, Masse und Impuls ($p$) sind verwandt mit

für ein Teilchen, das sich mit Geschwindigkeit bewegt$v$weniger als$c$,

wenn ein masseloses Teilchen ($m=0$) bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von weniger als$c$, dann hätte es null Impuls und null Energie. Ein solches Teilchen könnte niemals nachgewiesen werden (da ein Teilchen einen Teil seiner Energie und seines Impulses auf den Detektor übertragen muss, um nachgewiesen zu werden). Ist es möglich, dass ein grundsätzlich nicht nachweisbares Objekt existiert? Das ist Sache der Philosophen. Um Realitätsmodelle zu entwickeln, gibt es solche Teilchen nicht.

Die Störung der Raumzeitmetrik (bekannt als Dehnung), die (zum Beispiel) durch einen oszillierenden Massenquadrupol verursacht wird, gehorcht einer Wellengleichung der Form

Die Lösungen dieser Gleichung sind ebene Wellen, die sich mit einer Geschwindigkeit fortbewegen$c$, dh die Lichtgeschwindigkeit.

Warum ist das so? Nun, ich nehme an, das liegt daran, dass die Allgemeine Relativitätstheorie eine relativistisch kovariante Theorie ist, die für alle Bezugssysteme funktioniert. Dies beinhaltet zwangsläufig die Lichtgeschwindigkeit als die schnellste Geschwindigkeit, mit der Informationen übertragen werden können. Die Lichtgeschwindigkeit, zusammen mit$G$, ist in den fundamentalen Einstein-Feldgleichungen in ähnlicher Weise vorhanden wie die Lichtgeschwindigkeit in Maxwells Gleichungen für den Elektromagnetismus.

Daher sagt GR voraus, dass sich diese Störungen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten sollten, und die begrenzten bisherigen Messungen zeigen, dass dies der Fall ist.

Das ist eigentlich eine sehr gute Frage! Ich denke, Sie finden es seltsam, dass sich die Schwerkraft (oder Gravitationswellen) mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegt wie Photonen, die sich in der Raumzeit bewegen. Wie kommt es, dass eine Raumzeitstörung „weiß“, dass sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegt wie die darin befindlichen Photonen? Wenn sich ein Photon in einer Gravitationswelle bewegt, warum bleibt es dann in der Welle? Wer von beiden wird zuerst am Ziel ankommen , wenn sie vom selben Ort gestartet sind (obwohl der Ort für die Welle etwas schwer zu formulieren ist, da das GW eine Verzerrung der Raumzeit selbst ist, während das Photon eine Position darin hat ) wenn sie nebeneinander reisen? Das Photon oder die Welle?
Beide kommen zuerst (also gleichzeitig) im Ziel an. Sie reisen auch in der Zeit. Das heißt, ihre Reisegeschwindigkeit in der Zeit ist Null. Sie können dies mit einer unendlichen Reisegeschwindigkeit in der klassischen, absoluten Raumzeit (der von Newton verwendeten) vergleichen. Eine höhere Geschwindigkeit gibt es einfach nicht. Wenn sich die Gravitationswellen mit höherer Geschwindigkeit ausbreiten würden, würden sie jünger werden, was bedeutet, dass sie die Form annehmen würden, die sie einen Moment zuvor hatten. Aber das wäre genau die Form, die sie beim Verlassen hatten, was wiederum bedeutet, dass sie überhaupt nicht vorwärts gehen könnten.
Der Hauptpunkt ist also, dass sich die Wellen einfach nicht mit einer höheren Geschwindigkeit als unendlich bewegen können, wenn man sie als Reisen in der absoluten Raumzeit betrachtet (Newton dachte tatsächlich, dass die Gravitationswechselwirkung augenblicklich war). Dies übersetzt sich in eine Lichtgeschwindigkeit in der relativen Raumzeit.

In einer Quantentheorie der Schwerkraft wird angenommen, dass Gravitonen durch die Raumzeit reisen, nachdem eine Materie-Energie-Quelle sie erzeugt hat. So wie Photonen durch eine elektrische Ladung erzeugt werden. Die Gravitonen reisen wie die Photonen durch die flache Raumzeit. Es wird angenommen, dass sie masselos sind und sich daher nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen können. Aber wie können sie durch die flache Raumzeit reisen, wenn die Welle ein nicht flaches Stück Raumzeit ist? Genau das macht es schwierig, eine Quantentheorie der Gravitation zu finden. Beispielsweise ist die Raumzeit um ein massives Objekt gekrümmt. Wie kann dieses Feld als (virtuelle) Gravitonen gesehen werden, die sich flach bewegenFreizeit? Für kleine Felder (kleine Massen) können Sie die Raumzeit als flach annähern. Aber wenn das Feld stark ist, bewegt sich jedes Graviton in einer Raumzeit, die die anderen Gravitonen bereits gestört haben. Dies ist ein bisschen ähnlich wie sich Gluonen in der starken Wechselwirkung verhalten. Die Wirkung jedes Gluons wird durch die anderen Gluonen beeinflusst. Sie emittieren selbst Gluonen, wie Gravitonen Gravitonen emittieren. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass sich Gluonen immer in einer flachen Raumzeit bewegen sollen, während Gravitonen in einer bereits (von sich aus) gekrümmten Raumzeit reisen.

Hier ist ein einfacher Aspekt, der (meiner Meinung nach) in den bisher gegebenen Antworten nicht genug betont wurde.

GR gibt an (ich bin mir nicht sicher, ob als Ergebnis oder Axiom), dass es eine endliche Höchstgeschwindigkeit gibt. Diese maximale Geschwindigkeit ist nicht die Lichtgeschwindigkeit und nicht die Geschwindigkeit von Gravitationswellen, aber alle masselosen Teilchen und Gravitationswellen breiten sich (als Folge der Theorie) mit derselben maximalen Geschwindigkeit aus.

So gesehen ist es nichts Verdächtiges, dass sich Gravitationswellen und Licht gleich schnell ausbreiten. Es ist nichts Verdächtiges daran, dass der Fahrer eines Autos zufällig mit der gleichen Geschwindigkeit fährt wie die Passagiere.

Das ist eigentlich ziemlich kompliziert zu beantworten, und Sie sollten sich vor allzu vereinfachten Antworten hüten. Und übrigens, Sie sollten dies wahrscheinlich besser auf Physics.SE fragen.

Der Stand der Technik in der Physik ist an dieser Stelle, dass wir zwei völlig erfolgreiche Theorien haben, die einander widersprechen. Dies sind die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie.

Die Quantenmechanik besagt, dass Kräfte dadurch entstehen, dass materielle Teilchen (Fermionen) Bosonen austauschen. Wenn das Boson masselos ist, dann erhalten Sie im klassischen Grenzfall a$1/r^2$Gewalt. Masselose Teilchen reisen an$c$. Wenn wir also eine Kraft beobachten, die wie die Schwerkraft mit der Entfernung als abfällt$1/r^2$, vermuten wir, dass es von einem masselosen Boson stammt. Masselose Bosonen reisen an$c$, ergo sollten Gravitationssignale bei reisen$c$. Das klingt alles großartig, nur dass die Quantenmechanik nicht als Gravitationstheorie funktioniert, was alles in Frage stellt.

Die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) funktioniert hervorragend als klassische Gravitationstheorie und wurde im Bereich starker Gravitation durch jüngste Beobachtungen von Gravitationswellen und den Ereignishorizonten von Schwarzen Löchern spektakulär bestätigt. Aber GR sagt nicht wirklich voraus, dass sich Gravitationswellen fortbewegen$c$. Eigentlich sagt uns GR, dass Geschwindigkeit nicht wirklich ein sehr sinnvolles Konzept ist. Beispielsweise verweigert es die Beantwortung der Frage, ob sich eine entfernte Galaxie tatsächlich mit einiger Geschwindigkeit von uns entfernt oder ob sowohl unsere als auch die Galaxie in Ruhe sind, während sich der Raum dazwischen ausdehnt. Alles, was GR wirklich sagt, ist, dass es in der Grenze niedriger Amplituden vor dem Hintergrund einer flachen Raumzeit sinnvoll ist, über die Geschwindigkeit von Gravitationswellen zu sprechen, und in derselben Grenze bewegen sie sich$c$.

Es ist also nicht wirklich wahr und von den bekannten Gesetzen der Physik nicht wirklich vorhergesagt, dass sich Gravitationswellen fortbewegen$c$. Für Physiker ist es jedoch aus 40.000 Fuß Entfernung intuitiv klar, dass dies in Fällen von praktischem Interesse so sein muss, basierend auf einem allgemeinen Gefühl dafür, wie Physik funktioniert.