为什么重力没有立即发生？

当您看着太阳时，您所看到的光不是现在发出的光。取而代之的是，您看到的光的存在时间超过了八分钟，因为太阳距离我们约有1.5亿公里（9,300万英里），而且光（虽然速度很快）只能以特定的速度穿过宇宙：光速。但是引力呢？地球上的所有事物都经历着太阳的引力，但是地球在绕太阳公转时所经历的引力是从此时此刻开始的吗？或者，就像光一样，我们是从前一段时间开始经历引力的吗？保罗·罗兰（Paul Roland）写信问这个问题，这是一个令人着迷的问题，

＆＃34;重力波速度与光速的关系...起初，我没有看到任何联系，因为重力源自质量，是与电磁完全分开的作用。一个人可能会认为，[这]会导致引力效应比光[就传播时间而言]慢。”

对于我们如何期望事物的行为，我们都有直觉的想法，但是只有实验和观察才能提供答案。引力不是瞬间的，而是以光速传播的。这就是我们所知道的。

我们的故事始于光速。至少根据传说，第一个尝试测量它的人是伽利略。他在晚上进行了一项实验，每个人将两个人放在相邻的山峰上，每个人都配有灯笼。他们中的一个会揭开他们的灯笼，而当另一个看见时，他们会揭开他们自己的灯笼，让第一个人测量经过了多少时间。对于伽利略来说，不幸的是，结果似乎是瞬时的，仅受人类反应速度的限制。

关键的进步直到1676年才出现，当时奥勒·罗默（OleRømer）有了一个绝妙的主意，即观察木星最里面的大卫星Io，因为它从木星后面经过并从巨型行星的阴影中重新出现。因为光必须先从太阳传播到艾奥，然后再从艾奥传回我们的眼睛，所以从艾奥离开木星的阴影几何形状到我们在地球上可以观察到它，应该有一个延迟。尽管罗默（Rømer）的结论与实际值相差约30％，但这是光速的首次测量，也是光强最终以有限速度传播的第一个有力证明。

罗默（Rømer）的工作影响了当时的许多重要科学家，包括克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）和艾萨克·牛顿（Isaac Newton），他们提出了关于光的第一个科学描述。然而，在罗默（Rømer）大约十年后，牛顿将注意力转移到了引力上，关于引力有限速度的所有想法都消失了。相反，根据牛顿的说法，宇宙中的每个大物体都对宇宙中的每个其他大物体施加了吸引力，并且这种相互作用是瞬时的。

重力的强度始终与每个质量的乘积成正比，而与它们之间的距离的平方成反比。彼此相距两倍远，引力变成刚强的四分之一。而且，如果您问引力指向哪个方向，它总是沿着连接这两个质量的直线。牛顿就是这样制定他的万有引力定律的，他得出的数学轨道与行星在太空中移动的方式完全吻合。

当然，我们已经知道如何描述行星绕太阳运行的方式：开普勒的行星运动定律在牛顿出现之前已有数十年的历史了。他所做的如此出色的工作是提出了引力理论：一个遵循规则的数学框架，从中可以得出开普勒所有定律（以及许多其他规则）。只要在任何时刻，任何行星上的力始终直接指向该确切时刻太阳所在的位置，您就可以使行星轨道与我们观察到的相匹配。

牛顿还意识到了这一点：如果将引力指向太阳一定时间之前的位置-例如从地球角度来看大约8分钟前-您得到的行星轨道都是错误的。为了使牛顿的引力概念有起作用的机会，引力必须是瞬时的。如果引力很慢，即使“慢”意味着它以光速运动，牛顿的引力毕竟不起作用。

数百年来，牛顿的引力能够解决自然（和人类）向其施加的所有机械问题。当天王星的轨道似乎违反开普勒定律时，牛顿也许是错的却是一个诱人的线索，但事实并非如此。取而代之的是，那里还有海王星行星形式的附加质量。一旦知道它的位置和质量，这个难题就消失了。

但是牛顿的成功不会永远持续下去。真正的第一个线索是发现了狭义相对论，即时空不是绝对的量，而是我们如何观察它们的概念非常复杂地取决于我们的运动和位置。特别是，您在空间中移动的速度越快，时钟运行的速度就越慢，距离越短。正如在爱因斯坦之前工作的菲茨杰拉德（Fitzgerald）和洛伦兹（Lorentz）所描述的那样，距离的缩小和时间的扩大使您越接近光速。如果不稳定的粒子高速移动，它们的生存时间会更长。空间和时间不能是绝对的，但对于每个唯一的观察者而言，必须是相对的。

如果是这样，并且不同的观察者以不同的速度和/或在不同的位置移动，就距离和时间等问题无法达成共识，那么牛顿的引力概念又如何正确？似乎所有这些事情不可能同时实现。这里有些矛盾之处。

思考它的一种方法是考虑一个荒谬但有用的难题：想象一下，某种方式，无所不能的人能够瞬间将太阳从我们的宇宙中移出。我们期望地球发生什么？

就光而言，我们知道它还会继续到达约8分钟左右，而且一旦光停止到达我们，太阳似乎只会消失。其他太阳只有在阳光停止到达它们，从它们反射并停止到达我们的眼睛时才会变黑。但是引力呢？那会立即停止吗？所有的行星，小行星，彗星和柯伊伯带天体是否都可以一次直线地飞走？还是他们都继续绕轨道运行一段时间，以幸福的无知继续他们的引力舞，直到引力的作用最终击中他们？

根据爱因斯坦的观点，问题在于牛顿的整个图景一定是有缺陷的。最好不要将重力视为连接宇宙中任意两点的直线，瞬时力。相反，爱因斯坦提出了一张图片，其中时空交织在一起，呈现出一种不可分割的结构，不仅质量，而且所有形式的物质和能量都使该结构变形。与其说行星不因看不见的力而运转，还不如说是沿着弯曲的时空结构所决定的弯曲路径移动。

这种引力的概念导致了一系列与牛顿方程组截然不同的方程，而是预测引力不仅以有限的速度传播，而且该速度（引力的速度）必须与光速完全相等。如果您要突然“眨眨眼”太阳，那么这种时空结构将像一块落入水池中的岩石会导致水面突然回弹一样，“快速”恢复平坦。它将达到平衡，但是表面的变化将以波纹或波动的形式出现，并且只会以有限的速度传播：光速。

多年来，我们已经对重力的速度进行了间接测试，但没有一项能够直接测量这些波动。我们测量了两个脉冲中子星彼此绕行时的轨道如何变化，确定了能量以有限的速度（光速）以99.8％的精度辐射出去。就像木星的阴影遮挡光线一样，木星的引力可以弯曲背景光源，并且2002年巧合将地球，木星和一个遥远的类星体排成一行。木星引起的类星体光的引力弯曲为我们提供了另一个独立的引力速度度量：它再次是光速，但误差约为20％。

大约在5年前，当第一批先进的重力波探测器看到它们的第一个信号时，所有这些都开始发生巨大变化。当第一批引力波从合并的黑洞穿过宇宙时开始，这是我们第一次探测超过十亿光年的历程，它们到达了我们（当时）两个引力波探测器，相距仅几毫秒，这是一个很小但很明显的差异。由于它们位于地球上的不同点，因此，如果重力以有限的速度传播，我们预计到达时间会略有不同，但是瞬时是一样。对于每个引力波事件，光速与观察到的波到达时间一致。

但是在2017年，发生了一件壮观的事，使我们所有其他约束（包括直接约束和间接约束）消失了。从约1.3亿光年远，引力波信号开始到达。它以很小但可检测的振幅开始，然后功率增加，而频率却更快，这对应于两个低质量物体，中子星，吸气和合并。仅几秒钟后，引力波信号突然上升，然后停止，这表明合并完成。然后，不超过2秒后，第一个光信号到来：伽马射线爆发。

引力波和此事件产生的光花了大约1.3亿年的时间才能穿过宇宙，并且它们恰好在同一时间到达：大约2秒钟之内。这就是说，最多，如果光速和引力速度不同，那么它们的相差不超过四分之一（10 15），或者这两个速度是99.9999999999999％相同。在许多方面，这是有史以来最精确的宇宙速度测量。重力确实确实以有限的速度行进，并且该速度与光速相同。

从现代的角度来看，这是有道理的，因为任何无质量形式的辐射（无论是粒子还是波）都必须以光速行进。最初在我们的理论中基于对自洽性的需求作为假设，现在已经通过观察得到了直接证实。牛顿最初的引力概念没有成立，因为引力毕竟不是瞬时力。相反，结果与爱因斯坦一致：引力以有限的速度传播，而引力的速度恰好等于光速。

我们终于知道，如果您能以某种方式使太阳消失，将会发生什么：来自太阳的最后一束光将继续以光速离开它，并且只有当光停止到达时它才会变暗。 类似地，重力将以相同的方式表现，太阳的引力效应将继续影响银河系中的行星，小行星和所有其他物体，直到其引力信号不再到达为止。 水星首先会直线飞走，然后依次是所有其他物体。 光线将在重力作用发生的同一时间停止到达。 正如我们现在只能确定的那样，重力和光确实确实以完全相同的速度传播。 在推特上关注我。 在这里查看我的网站或其他一些工作。