¿Es sospechoso que las ondas gravitacionales se propaguen a la velocidad de la luz?

¡Es muy sospechoso! Señala el hecho de que la velocidad de la luz no es solo una velocidad aleatoria a la que la luz viaja, sino que es una propiedad fundamental del universo.

De hecho, cualquier partícula sin masa se moverá a la velocidad de la luz. Esto es una consecuencia de la relatividad. Energía, masa y cantidad de movimiento($p$) están relacionados por

para una partícula que se mueve a velocidad$v$menos que$c$,

si una partícula sin masa ($m=0$) se mueve a una velocidad menor que$c$, entonces tendría cero cantidad de movimiento y cero energía. Tal partícula nunca podría ser detectada (ya que para ser detectada una partícula tiene que transferir parte de su energía y momento al detector). ¿Es posible que exista un objeto fundamentalmente indetectable? Eso es asunto de filósofos. Por el bien de desarrollar modelos de la realidad, tales partículas no existen.

La perturbación a la métrica del espacio-tiempo (conocida como tensión), causada (por ejemplo) por un cuadrupolo de masa oscilante, obedece a una ecuación de onda de la forma

Las soluciones a esta ecuación son ondas planas que viajan con una velocidad$c$, es decir, la velocidad de la luz.

¿Por qué esto es tan? Bueno, supongo que es porque la Relatividad General es una teoría covariante relativista que funciona para todos los marcos de referencia. Esto implica inevitablemente la velocidad de la luz como la velocidad más rápida a la que puede viajar la información. La velocidad de la luz, junto con$G$, está presente en las ecuaciones de campo fundamentales de Einstein de la misma manera que la velocidad de la luz está presente en las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo.

Por lo tanto, GR predice que estas perturbaciones deberían viajar a la velocidad de la luz y las mediciones limitadas hasta ahora indican que ese es el caso.

¡Esta es realmente una muy buena pregunta! Creo que te resulta extraño que la gravedad (u ondas gravitatorias) viaje a la misma velocidad que los fotones, que viajan en el espacio-tiempo. ¿Cómo es que una perturbación del espacio-tiempo "sabe" viajar a la misma velocidad que los fotones en su interior? Si un fotón viaja dentro de una onda gravitacional, ¿por qué permanecerá en la onda? ¿Cuál de los dos llegará primero a la meta, si partieron desde el mismo lugar (aunque el lugar para la onda es un poco difícil de formular, ya que el GW es una distorsión del propio espacio-tiempo, mientras que el fotón tiene una posición en él ) ) si viajan uno al lado del otro? ¿El fotón o la onda?
Ambos llegarán primero a la meta (es decir, al mismo tiempo). Ellos también viajan en el tiempo. Es decir, su velocidad de viaje en el tiempo es cero. Puede comparar esto con una velocidad de viaje infinita en el espacio-tiempo absoluto clásico (el que usó Newton). Simplemente no hay mayor velocidad que esa. Si las ondas gravitacionales viajaran a mayor velocidad, se volverían más jóvenes, lo que significa que tomarían la forma que tenían un momento antes. Pero esa sería exactamente la forma que tenían al irse, lo que nuevamente significa que no podrían avanzar en absoluto.
Entonces, el punto principal es que las ondas simplemente no pueden viajar a una velocidad mayor que una velocidad infinita cuando se considera que viajan en un espacio-tiempo absoluto (Newton pensó que la interacción gravitacional era instantánea). Esto se traduce en una velocidad de la luz en el espacio-tiempo relativo.

En una teoría cuántica de la gravedad, se cree que los gravitones viajan a través del espacio-tiempo después de que una fuente de materia-energía los haya producido. Así como los fotones son producidos por una carga eléctrica. Los gravitones viajan a través del espacio-tiempo plano al igual que los fotones. Se cree que no tienen masa y, como tales, no pueden viajar a una velocidad superior a la de la luz. Pero, ¿cómo pueden viajar a través del espacio-tiempo plano cuando la onda es una pieza de espacio-tiempo no plana? Es exactamente esto lo que dificulta el hallazgo de una teoría cuántica de la gravedad. Por ejemplo, el espacio-tiempo alrededor de un objeto masivo es curvo. ¿Cómo se puede ver este campo como gravitones (virtuales) que viajan en planos¿tiempo espacial? Para campos pequeños (masas pequeñas), puede aproximar el espacio-tiempo como si fuera plano. Pero si el campo es fuerte, cada gravitón viaja en un espacio-tiempo que los otros gravitones ya han perturbado. Esto es un poco similar a cómo se comportan los gluones en la interacción fuerte. La acción de cada gluón se ve afectada por los otros gluones. Ellos mismos emiten gluones, como los gravitones emiten gravitones. Sin embargo, la diferencia es que se supone que los gluones viajan siempre en un espacio-tiempo plano, mientras que los gravitones viajan en un espacio-tiempo que ya es curvo (por sí mismos).

Aquí hay un aspecto simple que no se ha enfatizado lo suficiente (en mi opinión) en las respuestas dadas hasta ahora.

GR afirma (no estoy seguro si es un resultado o un axioma) que existe una velocidad máxima finita. Esta velocidad máxima no es la velocidad de la luz ni la velocidad de las ondas gravitacionales, pero sucede que todas las partículas sin masa y las ondas gravitacionales (como consecuencia de la teoría) se propagan con la misma velocidad máxima.

Si lo piensas así, no hay nada sospechoso en el hecho de que las ondas gravitatorias y la luz se propaguen con la misma velocidad. No hay nada sospechoso en el hecho de que el conductor de un automóvil viaje a la misma velocidad que los pasajeros.

En realidad, esto es bastante complicado de responder, y debe tener cuidado con las respuestas demasiado simplificadas. Y, por cierto, probablemente sea mejor que preguntes esto en physics.SE.

El estado del arte en física en este punto es que tenemos dos teorías totalmente exitosas que se contradicen. Estos son la mecánica cuántica y la relatividad general.

La mecánica cuántica dice que la forma en que se crean las fuerzas es que las partículas materiales (fermiones) intercambian bosones. Si el bosón no tiene masa, entonces en el límite clásico obtienes un$1/r^2$fuerza. Las partículas sin masa viajan a$c$. Por lo tanto, si observamos una fuerza que, como la gravedad, disminuye con la distancia como$1/r^2$, sospechamos que surge de un bosón sin masa. Los bosones sin masa viajan a$c$, las señales gravitatorias ergo deben viajar a$c$. Todo esto suena genial, excepto que la mecánica cuántica no funciona como una teoría de la gravedad, lo que pone todo en duda.

La relatividad general (GR) funciona muy bien como teoría clásica de la gravedad, y ha sido espectacularmente confirmada en el régimen de gravedad fuerte por observaciones recientes de ondas gravitacionales y los horizontes de eventos de los agujeros negros. Pero GR realmente no predice que las ondas gravitacionales viajen a$c$. En realidad, GR nos dice que la velocidad no es realmente un concepto muy significativo. Por ejemplo, se niega a responder la pregunta de si una galaxia distante se está alejando de nosotros a cierta velocidad, o si tanto nuestra galaxia como esa están en reposo, mientras que el espacio entre ellas se expande. Todo lo que GR realmente dice es que en el límite de amplitudes bajas, sobre un fondo de espacio-tiempo plano, tiene sentido hablar de la velocidad de las ondas gravitacionales, y en ese mismo límite viajan a$c$.

Así que no es realmente cierto y no está realmente predicho por las leyes conocidas de la física de que las ondas gravitacionales viajan a$c$. Sin embargo, es intuitivamente obvio para los físicos, en la vista desde 40.000 pies, que debe ser así en casos de interés práctico, basados ​​en una idea general de cómo funciona la física.