Гравитация не может действовать мгновенно

Когда две черные дыры сближаются по спирали и сливаются, значительная часть их массы может преобразоваться в энергию за очень короткий промежуток времени. Гравитационное излучение, испускаемое такими черными дырами, не распространяется по Вселенной мгновенно, а ограничено конечной скоростью распространения, скоростью света. Источник: Центр космических полетов Годдарда НАСА

Ньютон полагал, что гравитация действует мгновенно, распространяясь с бесконечной скоростью. Эйнштейн показал обратное: гравитация не мгновенна.

Итан Сигел, 13 августа 2026

Ключевые тезисы:

• Когда Исаак Ньютон впервые сформулировал свою теорию гравитации, он считал, что массы притягиваются друг к другу мгновенно, с любого расстояния во Вселенной.

• Но оказалось, что никакие сигналы, даже гравитационные, не могут двигаться быстрее скорости света, которая является космическим предельным значением скорости для любых частиц и/или сил.

• Для восстановления реальной картины в нашем понимании гравитации потребовалась эйнштейновская революция, и недавние наблюдения подтвердили, что скорость гравитации действительно равна скорости света. И вот как мы это узнали...

Солнечный свет, который мы видим сейчас, — это не тот свет, который испускается прямо сейчас! Мы видим свет, которому чуть больше восьми минут, поскольку Солнце находится на расстоянии около 150 миллионов километров, а летящий с огромной скоростью свет может перемещаться по Вселенной только с определенной скоростью: скоростью света. Но что насчет гравитации? Всё на Земле испытывает гравитационное притяжение Солнца, но исходит ли гравитация Солнца, которую ощущает Земля на своей орбите, прямо сейчас, в данный момент? Или же, подобно свету, мы испытываем гравитацию, исходящую из прошлого, соответствующую времени, необходимому гравитационному сигналу для преодоления этого космического расстояния?

Этот мысленный эксперимент весьма непрост для нашего разума. В конце концов, чем именно продиктовано поведение гравитации? Между гравитацией и электромагнетизмом нет фундаментальной связи; именно из последнего происходит понятие скорости света, так почему скорость гравитации должна иметь какое‑либо отношение к скорости света?

Как оказалось, несмотря на разные интуитивные представления о том, как должна вести себя гравитация, только эксперименты, измерения и наблюдения могут дать ответ на подобный вопрос о физической реальности. Эксперименты раскрыли перед нами нечто увлекательное, согласующееся с предсказаниями теории гравитации Эйнштейна (но не Ньютона): скорость гравитации не мгновенна, гравитация распространяется точно со скоростью света. И вот история того, как мы это узнали...

Когда происходит событие гравитационного микролинзирования, фоновый свет от звезды искажается и усиливается, когда значительная масса проходит через линию нашего взгляда на звезду или рядом с ней. Эффект гравитации искривляет пространство между светом и нашими глазами, создавая специфический сигнал, который раскрывает массу и скорость объекта. Только в случае идеального выравнивания наблюдателя, движущейся массы и фонового источника света временно создается кольцо: то же самое, что и кольцо Эйнштейна при идеальной конфигурации общего гравитационного линзирования. Источник: Ян Скоўрон / Астрономическая обсерватория, Варшавский университет

Начнем со скорости света. Первым человеком, который попытался её измерить, по крайней мере, согласно легенде, был Галилей. Он поставил эксперимент ночью, два человека находились на вершинах соседних гор, каждый с фонарем, в стиле «маяков Гондора». Один из них открывал свой фонарь, и когда второй видел его свет, он тоже открывал свой фонарь, после чего первый измерял, сколько прошло времени. К сожалению для Галилея, результаты казались мгновенными, ограниченными лишь скоростью человеческой реакции. В отличие от всех других количественных данных, которые записывал Галилей, он мог лишь утверждать, что скорость света была «быстрой».

Прорыв произошел только в 1676 году, когда Оле Рёмер предложил блестящую идею наблюдать за самой большой внутренней луной Юпитера, Ио, когда она проходила за Юпитером и появлялась из тени гигантской планеты. Поскольку свет должен пройти путь от Солнца до Ио, а затем от Ио обратно к нашим глазам, должна наблюдаться задержка между моментом, когда Ио геометрически покидает тень Юпитера, и моментом, когда прибывающий свет, отраженный от луны, становится наблюдаемым здесь, на Земле. Хотя измеренные Рёмером значения дали результат для скорости света, отличающийся примерно на 30% от фактического значения, это было первым измерением скорости света и первым убедительным доказательством того, что свет все‑таки движется с конечной скоростью.

Когда одна из лун Юпитера проходит за самой большой планетой нашей Солнечной системы, она попадает в тень планеты и темнеет. Когда солнечный свет снова начинает падать на луну, мы видим это не мгновенно, а спустя много минут: время, необходимое свету для путешествия от этой конкретной луны к нашим глазам. Здесь Ио вновь появляется из‑за Юпитера, и это то же явление, которое Оле Рёмер использовал для первого измерения скорости света. В это время Европа и Ганимед парят справа. Источник: Роберт Дж. Модик

Работа Рёмера повлияла на ряд ведущих ученых того времени, включая Христиана Гюйгенса и Исаака Ньютона, которые предложили первые (но взаимно противоречащие) описания природы света: Гюйгенс разработал волновую теорию, а Ньютон — корпускулярную. Однако примерно через десятилетие после опыта Рёмера, когда Ньютон обратился к гравитации, то возможные идеи о конечной скорости гравитации были им отвергнуты. Вместо этого, согласно Ньютону, каждый массивный объект во Вселенной воздействовал с силой притяжения на каждый другой массивный объект во Вселенной, и это взаимодействие было мгновенным, происходило без какой‑либо задержки и на любых, даже бесконечных расстояниях.

Согласно Ньютону, сила гравитационного притяжения всегда пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Если удалиться друг от друга в два раза дальше, гравитационная сила станет в четыре раза слабее. И если задаться вопросом, в каком направлении действует гравитационная сила, то она всегда направлена вдоль прямой линии, соединяющей эти две массы. Так Ньютон сформулировал свой закон всемирного тяготения, где математические орбиты, которые он вывел, точно соответствовали тому, как планеты двигались в пространстве.

Еще до того, как мы поняли, как работает закон гравитации, мы смогли установить, что любой объект, обращающийся вокруг другого, подчиняется второму закону Кеплера: он заметает равные площади за равные промежутки времени, что указывает на то, что он должен двигаться медленнее, когда находится дальше, и быстрее, когда ближе. В каждой точке орбиты планеты законы Кеплера диктуют, с какой скоростью эта планета должна двигаться. Источник: Gonfer/Wikimedia Commons, с использованием Mathematica

Конечно, мы уже умели описывать движение планет вокруг Солнца: законы движения планет Кеплера существовали уже несколько десятилетий к моменту появления теории Ньютона. То, чего достиг Ньютон, было поистине замечательным: он выдвинул теорию гравитации, математическую модель, подчиняющуюся правилам, из которых можно вывести все законы Кеплера (и многие другие). Пока в каждый момент времени сила, действующая на любую планету, направлена непосредственно туда, где находится Солнце в этот конкретный момент, орбиты планет будут соответствовать наблюдаемым.

Ньютон также осознал нечто важное относительно того, что произошло бы, если бы гравитация не действовала на объекты мгновенно, например, между Солнцем и Землей. Если вместо этого позволить силе притяжения указывать туда, где Солнце находилось определенное время назад, например, ~8 минут назад с точки зрения планеты Земля, то полученные орбиты планет были бы совершенно неверными. Чтобы ньютоновское представление о гравитации имело шанс работать корректно, гравитационная сила должна была быть мгновенной. Если гравитация медленная, (даже если «медленная» означает, что она движется со скоростью света), ньютоновская гравитация не сработает.

Один из революционных аспектов релятивистского движения, выдвинутый Эйнштейном, но ранее разработанный Лоренцем, Фицджеральдом и другими, заключается в том, что быстро движущиеся объекты кажутся сжатыми в пространстве и растянутыми во времени. Чем быстрее вы движетесь относительно кого‑то, находящегося в покое, тем более ваша длина кажется сокращенной, а время для внешнего мира кажется более замедленным. Эта картина релятивистской механики заменила старое ньютоновское представление о классической механике, но она также имеет огромные последствия для теорий, не являющихся релятивистски инвариантными, таких как ньютоновская гравитация. Источник: C. Renshaw, IEEE, 1996

В течение сотен лет ньютоновская теория гравитации могла решать любую механическую задачу, которую природа (и люди) ей подбрасывали. Когда орбита Урана, казалось, нарушала законы Кеплера, это было захватывающей подсказкой, что, возможно, Ньютон наконец‑то ошибся в чем‑то, но это оказалось не так. Вместо этого там присутствовала дополнительная масса в виде планеты Нептун, которая и вызывала ранее необъяснимые ускорения в орбите Урана. Как только Нептун был открыт и его положение и масса стали известны, эта загадка исчезла.

Но успехи теории Ньютона длились не вечно. Первая настоящая подсказка появилась с открытием специальной теории относительности и представлением о том, что пространство и время на самом деле не являются абсолютными величинами, а то, как мы их наблюдаем, очень сильно зависит от нашего движения и местоположения. В частности, чем быстрее мы движемся в пространстве, тем медленнее, кажется, идут часы и тем короче кажутся расстояния. Как описали это Фицджеральд и Лоренц, работавшие более чем за десятилетие до Эйнштейна:

• расстояния сокращаются

• и время замедляется

тем значительнее, чем ближе вы приближаетесь к скорости света. Было обнаружено, что нестабильные частицы, которые распадаются с определенным периодом полураспада, живут дольше, если движутся с высокими скоростями. Это привело к революционному выводу: пространство и время не могут быть абсолютными, они должны быть относительными для каждого уникального наблюдателя.

Хотя все планеты в Солнечной системе обращаются вокруг Солнца в одном направлении, Венера уникальным образом вращается вокруг своей оси в противоположном направлении. За каждый оборот, совершаемый Венерой, хотя она и является самой медленно вращающейся планетой, она переживает примерно два «дня» восходов и закатов солнца. Источник: НАСА/JPL

Если это верно, и разные наблюдатели, движущиеся с разными скоростями и/или находящиеся в разных местах, не могут согласовать такие вещи, как расстояния и время, то как представление Ньютона о гравитации может быть правильным? Если кто‑то на Земле и кто‑то на Солнце не могут договориться о том, который сейчас час или в какой момент происходит «событие», то как что‑то, даже сила, которую создаёт гравитация, может действовать между ними мгновенно? Кажется, что относительность и понятие «мгновенности» не могут одновременно применяться к разным наблюдателям; здесь должно быть какое‑то несоответствие.

Один из способов подумать об этом — рассмотреть абсурдную, но полезную загадку: представьте, что каким‑то образом всемогущее существо способно мгновенно удалить Солнце из нашей Вселенной. Что испытал бы человек, живущий на Земле, в результате этого события?

Что касается света, то мы знаем, что он продолжал бы прибывать еще около 8 минут, и Солнце стало бы тёмным, исчезло, только тогда, когда этот свет перестал бы достигать нас. Другие планеты тоже показались бы тёмными с нашей точки зрения только после того, как солнечный свет перестал бы:

• достигать их,

• отражаться от них,

• и, наконец, перестал достигать наших глаз.

Но что насчет гравитации? Прекратилась бы она мгновенно? Полетели бы все планеты, астероиды, кометы и объекты пояса Койпера по прямой линии все сразу? Или же они продолжали бы вращаться некоторое время, продолжая свой гравитационный танец в блаженном неведении, пока эффект гравитации наконец не достиг бы их?

В отличие от картины, которую создал Ньютон о мгновенных силах вдоль линии, соединяющей две массы, Эйнштейн представил гравитацию как искривленную ткань пространства‑времени, где отдельные частицы движутся через это искривленное пространство в соответствии с предсказаниями общей теории относительности. В картине Эйнштейна гравитация вовсе не мгновенна, а должна распространяться с ограниченной скоростью: скоростью гравитации, которая идентична скорости света. В отличие от обычных волн, для распространения гравитационных волн не требуется никакой среды. Источник: Научное сотрудничество LIGO, Т. Пайл, Калтех/МИТ

Проблема, согласно Эйнштейну, заключается в том, что вся картина мира Ньютона должна быть отброшена, пересмотрена и заменена, чтобы Вселенная обрела смысл. Во Вселенной, где пространство и время не являются абсолютными величинами, а относительны для любого наблюдателя, гравитация больше не может рассматриваться как прямолинейная, мгновенная сила, соединяющая любые две точки во Вселенной. В качестве жизнеспособной альтернативы Эйнштейн выдвинул модель, где пространство и время сплетены вместе в то, что он показал как неразделимую четырехмерную ткань. Эта ткань деформировалась бы не только наличием масс, но и всеми формами материи и энергии, где бы и когда бы они ни находились.

И, как следствие этого, вместо того чтобы планеты вращались вокруг Солнца из‑за невидимой силы, они просто движутся по искривлённой траектории, определяемой искривлённой, искажённой тканью пространства‑времени.

Это эйнштейновское представление о гравитации привело к кардинально иному набору уравнений по сравнению с ньютоновскими, и вместо этого предсказывало, что гравитация не только распространяется с конечной скоростью, но что эта скорость, скорость гравитации, должна быть точно равна скорости света. Если бы мы внезапно «щелчком пальцев» заставили Солнце исчезнуть, эта ткань пространства‑времени «захлопнулась» бы обратно в плоское состояние так же, как поверхность воды восстанавливается обратно после падения камня в бассейн. Она пришла бы в равновесие, но изменения поверхности происходили бы в виде ряби или волн, и они распространялись бы только с конечной скоростью, равной скорости света.

Скорость орбитального затухания двойного пульсара сильно зависит от скорости гравитации и орбитальных параметров двойной системы. Мы использовали данные двойных пульсаров, чтобы фиксировать скорость гравитации, равной скорости света, с точностью 99,8%, и сделать вывод о существовании гравитационных волн за десятилетия до того, как их обнаружили LIGO и Virgo. Здесь проиллюстрирован двойной пульсар J0737-3039, с наблюдаемой релятивистской временной задержкой, показанной справа. Источник: М. Кремер/Институт радиоастрономии общества Макса Планка

В течение многих лет у нас были косвенные оценки скорости распространения гравитации, но не было ничего, что измеряло бы эту рябь напрямую. Мы измерили, как изменялись орбиты двух пульсирующих нейтронных звезд, когда они вращались друг вокруг друга, определив, что энергия излучается с конечной скоростью, скоростью света, с точностью до 99,8%. Подобно тому, как тень Юпитера загораживает свет, гравитация Юпитера может искривлять фоновый источник света, и 2002 году в линию выстроились Земля, Юпитер и далекий квазар. Гравитационное искривление света квазара из‑за Юпитера дало нам еще одно независимое измерение скорости гравитации: это снова скорость света, но с погрешностью ~20%.

Всё это начало драматически меняться в 2015 году, когда первые усовершенствованные детекторы гравитационных волн (LIGO) поймали первые сигналы. Поскольку первые гравитационные волны от сливающихся черных дыр путешествовали по Вселенной, пройдя путь более миллиарда световых лет для нашего первого обнаружения, они прибыли на наши тогдашние два детектора гравитационных волн с разницей всего в миллисекунды, небольшой, но значительной разницей. Поскольку они находятся в разных точках Земли, мы и ожидали немного различающееся время прибытия, если бы гравитация распространялась с конечной скоростью, но не ожидали бы никакой разницы, если бы она была мгновенной. Для каждого события гравитационных волн скорость света согласуется с наблюдаемым временем прибытия волн.

Сигнал от события гравитационных волн GW190521, зарегистрированный всеми тремя активными детекторами гравитационных волн на тот момент: LIGO Hanford, LIGO Livingston и Virgo. Полная длительность сигнала составила всего ~13 миллисекунд, но этот сигнал представляет собой энергетический эквивалент 8 солнечных масс, преобразованных в чистую энергию через соотношение Эйнштейна E = mc². Это одно из самых массивных слияний черных дыр, когда‑либо непосредственно наблюдаемых, и его местоположение можно было точно определить, потому что одновременно работали три детектора гравитационных волн, чувствительные к поляризации. Необработанные данные и теоретические предсказания, показанные в верхних 3 панелях, невероятны тем, насколько хорошо они совпадают, четко демонстрируя наличие волнового паттерна. Источник: Р. Эбботт и др. (Научное сотрудничество LIGO и Сотрудничество Virgo), Phys. Rev. Lett., 2020

Но в 2017 году произошло нечто, что превзошло все наши предыдущие измерения, как прямые, так и косвенные. С расстояния ~130 миллионов световых лет гравитационно‑волновой сигнал достиг трёх наших детекторов, работавших в то время: двух детекторов LIGO и детектора Virgo. Он начался с небольшой, но обнаружимой амплитуды, затем увеличил мощность, становясь выше по частоте, что соответствовало двум объектам низкой массы, вероятно, нейтронным звездам, сближающимся по спирали и сливающимся. Всего через несколько секунд сигнал гравитационных волн достиг пика, а затем прекратился, сигнализируя о завершении слияния. И затем, всего через 1,7 секунды, прибыл первый признак света: высокоэнергетический сигнал, зарегистрированный как гамма‑всплеск.

Понадобилось около 130 миллионов лет, чтобы и гравитационные волны, и свет от этого события прошли через Вселенную, и они прибыли точно в одно и то же время, с разницей не более 1,7 секунды. Это означает, что самое большое различие, если скорость света и скорость гравитации различаются, составляет не более чем 1 часть на квадриллион (10¹⁵), или что эти две скорости идентичны на 99,9999999999999%. Во многих отношениях это самое точное измерение космической скорости, когда‑либо сделанное. Гравитация действительно движется с конечной скоростью, и эта скорость идентична скорости света.

В последние моменты слияния две нейтронные звезды не просто испускают гравитационные волны, но и производят фантастической силы взрыв, который отдаётся эхом по всему электромагнитному спектру. Образуют ли они стабильную нейтронную звезду или черную дыру (как слияние 2019 года), или нейтронную звезду, которая затем превращается в черную дыру (как слияние 2017 года), будет зависеть от таких факторов, как общая масса предшественников‑нейтронных звезд и их комбинированный спин. В этих событиях производится огромное количество тяжелых элементов. Источник: Университет Уорвика/Марк Гарлик

С современной точки зрения это имеет смысл, поскольку любая безмассовая форма излучения, будь то частица или волна, должна двигаться точно с предельной скоростью для всех безмассовых величин: скоростью света в вакууме. То, что начиналось как предположение, основанное на необходимости самосогласованности наших теорий, теперь непосредственно подтверждено наблюдениями. Первоначальное представление Ньютона о гравитации не выдерживает проверки, так как гравитация не является мгновенной силой. Вместо этого результаты согласуются с Эйнштейном: гравитация распространяется с конечной скоростью, и скорость гравитации точно равна скорости света. Фактически, совпадение гравитационных и электромагнитных сигналов также обеспечивает одно из самых строгих ограничений на возможные массы покоя гравитона и фотона; они согласуются с нулем и, если они всё же ненулевые, то должны быть невероятно малы.

Наконец‑то мы знаем, что произошло бы, если бы мы могли каким‑то образом заставить Солнце исчезнуть: последний свет от Солнца продолжал бы удаляться от него со скоростью света, и оно стало бы темным только тогда, когда свет перестал бы прибывать. Аналогично, гравитация вела бы себя таким же образом, причем гравитационные эффекты Солнца продолжали бы влиять на планеты, астероиды и все другие объекты в галактике до тех пор, пока его гравитационный сигнал не перестал бы прибывать. Меркурий первым улетел бы по прямой линии, за ним последовали бы Венера, Земля и все остальные вращающиеся массы в порядке их удаления от Солнца. Свет перестал бы прибывать точно в то же время, когда прекратились бы гравитационные эффекты. Как мы теперь достоверно знаем, гравитация и свет действительно движутся с абсолютно одинаковыми скоростями.

Эта статья была впервые опубликована в сентябре 2023 года. Обновлена в августе 2026 года.