Jeśli światło nie ma masy, dlaczego wpływa na nie grawitacja?

Światło nie przyspiesza w polu grawitacyjnym, co robiłyby rzeczy z masą, ponieważ światło ma powszechnie stałą prędkość. Dlaczego ten wyjątek?

Innym sposobem odpowiedzi na to pytanie jest zastosowanie zasady równoważności, którą Einstein nazwał swoją „najszczęśliwszą myślą” (więc wiesz, że musi być dobra). Zasada równoważności mówi, że jeśli znajdujesz się w zamkniętym polu w obecności czegoś, co Newton nazwałby polem grawitacyjnym, wówczas wszystko, co dzieje się w tym polu, musi być takie samo, jakby pole nie było w polu grawitacyjnym, ale zamiast tego przyspieszało w górę . Więc kiedy wypuszczasz piłkę, możesz sobie wyobrazić, że piłka jest przyspieszana w dół przez grawitację lub możesz sobie wyobrazić wszystko oprócz piłki, która jest przyspieszana w górę, a piłka po prostu zostaje w tyle (co, o ironio, lepiej sprawdza się z naprężeniami, które możesz łatwo wykryć każdy przedmiot wokół ciebie, który nie jest obecny na piłce, w tym uczucie, które otrzymujesz teraz z dołu).

Biorąc pod uwagę tę zasadę, łatwo jest dostrzec wpływ grawitacji na światło - wyobraź sobie świecące laserowo w poziomie. W ramce odniesienia „pozostawionej” widzimy, co by się stało - wiązka zaczynałaby się od sekwencyjnie coraz wyższego punktu, a ten efekt podnoszenia jest przyspieszany. Zatem biorąc pod uwagę skończoną prędkość światła, kształt wiązki wydaje się zakrzywiony w dół, a wiązka nie uderzyłaby w punkt na ścianie pudełka bezpośrednio naprzeciwko lasera. Dlatego musi to być również to, co jest postrzegane z wnętrza pudełka - wiązka nie uderza w punkt bezpośrednio naprzeciwko lasera (ponieważ punkt ten jest wyższy niż punkt naprzeciwko niego, w którym emitowane jest światło), i jego ścieżka wydaje się zakrzywiać w dół. Ergo, światło „pada”.

Rzeczywiście, jest to kluczowe uproszczenie zasady równoważności - nigdy nie musisz wiedzieć, czym jest substancja, wszystkie substancje „padają tak samo”, ponieważ nic nie dzieje się z substancją, są to tylko konsekwencje pozostania w tyle przez cokolwiek faktycznie ma na to siły i faktycznie przyspiesza.

Nawiasem mówiąc, warto zauważyć, że nawet w grawitacji newtonowskiej bezmasowe obiekty „spadałyby tak samo” jak te o masie, ale ich zobaczenie wymaga ograniczenia. Po prostu upuść piłkę w próżni, następnie piłkę o mniejszej masie, a następnie o niższej masie nieruchomej. Wszystkie obiekty padają tak samo pod grawitacją Newtona. Więc po prostu przejdź do granicy zerowej masy, nie zobaczysz żadnej różnicy na ścieżce tego limitu. Niemniej jednak grawitacja newtonowska nie ma właściwej odpowiedzi na trajektorię światła w grawitacji, ponieważ fizyka newtonowska nie traktuje prawidłowo prędkości światła.

Istnieje kilka sposobów podejścia do twojego pytania:

Czarne dziury to obszary przestrzeni, które zostały zdeformowane przez odpowiednio skoncentrowaną masę. Fale świetlne / cząstki zawsze poruszają się w linii prostej ze stałą prędkością ( ). Chociaż foton zbliżający się do czarnej dziury będzie nadal podróżował w linii prostej przez przestrzeń, sama przestrzeń zakrzywiła się, więc ścieżka fotonu zakrzywi się.$c$

Chociaż fotony nie przyspieszają w obecności studni grawitacyjnej, wpływają na nią w inny sposób. W szczególności, fotony wchodzące do studni grawitacyjnej są przesunięte na niebiesko, podczas gdy fotony wychodzące z nich są przesunięte na czerwono. To przesunięcie czerwieni / błękitu ma miejsce, ponieważ czas płynie wolniej w przestrzeni grawitacyjnej niż bez niej. We wszystkich układach odniesienia prędkość światła pozostaje stała. Więcej informacji na ten temat znajduje się na wiki .

^{Uwaga: pytanie pierwotnie odnosiło się konkretnie do czarnych dziur. Powyższe dotyczy dowolnej koncentracji materii (której czarne dziury są ekstremalnym przykładem).}

TL; DR Na światło wpływa grawitacja, ponieważ przemieszcza się wzdłuż siatki czasoprzestrzennej i jej krzywizny, którą JEST grawitacja. Widać to bardzo dobrze w czarnych dziurach.also: Einstein > Newton

Czarne dziury są czarne, ponieważ żadne światło, które przecina „Event Horizon”, nigdy nie ucieknie. Masa zagina „siatkę” czasoprzestrzeni. Światło - mówiąc dwuwymiarowo - wędruje wzdłuż dna siatki czasoprzestrzennej i podąża za krzywizną, tzn. Schodzi po stożku utworzonym przez obecność masy i ponownie przesuwa się wzdłuż najkrótszej ścieżki na zewnątrz. To sprawia, że ​​podróż światła trwa dłużej . Teraz dla czarnej dziury sprawy są bardziej ekstremalne: powstaje czarna dziura, gdy dużo materii jest stłoczonych w przestrzeni mniejszej lub większej niż promień Schwarzschilda. Promień Schwarzschilda dowolnego obiektu gwiezdnego zależy wyłącznie od jego masy. Każda masa o wystarczająco wysokiej denistacji zamienia się w czarną dziurę:

r _s = 2 * G / 2 c
Promień Schwarzschilda = 2* the gravitational constant / 2 * the speed of light.
Pomnożyć, że z Mmasa obiektu w kg i dostał r _s dla tej masy.

Aby zrozumieć jednak, w jaki sposób czarne dziury zakrzywiają przestrzeń tak bardzo, że nie przepuszczają światła, musimy spojrzeć tylko na niewielką część równania Schwarzschilda.

Malować obraz dla zrozumienia czarnych dziur, musimy tylko ten środkowy odcinek:
1) 2) 3) 4) Mamy już ustalony r _s jako ten Promień Schwarzschilda danego obiektu, R jest promieniem gwiezdnego obiektu. Gdy R staje się tak mały, jak r _s dostaniesz osobliwość ¹ i dziwne rzeczy zacznie się dzieje, co najważniejsze do OPS pytaniu krzywizna czasoprzestrzeni w czarną dziurę staje się nieskończony (!)
oznacza to, że każde światło, które przecina horyzont zdarzenia w dowolnym punkcie, zajmie nieskończoną ilość czasu, aby przejść przez lejek czarnych dziur. Nawet pod bardzo płaskim kątem w stosunku do horyzontu zdarzeń, w którym tak lekko go szturcha, ginie, ponieważ teoria zbiorów uczy nas: każdy podzbiór nieskończoności jest również nieskończony.

Oto kilka dodatkowych wizualizacji:
Grawitacyjny stożek czasoprzestrzenny Ziemi:

Lejek grawitacyjny czasoprzestrzenny czarnej dziury:

1) Osobliwość: Osobliwość jest zasadniczo, w kategoriach rachunku różniczkowego / algebry, tylko wtedy, gdy dzielisz przez zero (czego nigdy nie zrobisz!). Osobliwość 2D może po prostu wyglądać tak: f(x) = 1/x(osobliwość występuje na środku przy x = 0).

Osobliwość 3D może wyglądać tak: / \, osobliwość przy x = 1 (jest to funkcja zeta Riemannsa).

Przyspieszenie nie ma tu znaczenia. Każda studnia grawitacyjna ma określoną prędkość ucieczki. Cząsteczki szybciej niż ta prędkość uciekają ze studni, cząstki wolniejsze nie. Sama definicja czarnej dziury to studnia grawitacyjna (dziura), w której prędkość ucieczki przekracza „c” prędkość cząstek światła, więc z definicji światło nie może wydostać się z dziury, przez co staje się „czarne”.

Jeśli światło nie ma masy, dlaczego wpływa na nie grawitacja?

Ponieważ światło ma charakter falowy, a pole grawitacyjne jest miejscem, w którym zmienia się prędkość światła. Więc światło zakręca w dół. To trochę tak, jak fale sonarowe zakrzywiają się w morzu:

^{Zdjęcie z FAS i amerykańskiej marynarki wojennej, patrz kurs ES310, rozdział 20}

Światło nie przyspiesza jego przyspieszenia, co robiłyby rzeczy z masą, ponieważ światło ma powszechnie stałą prędkość. Dlaczego ten wyjątek?

Obawiam się, że to nie w porządku. Zobacz, co powiedział Einstein:

1912 : „Z drugiej strony jestem zdania, że ​​zasadę stałości prędkości światła można utrzymać tylko w takim stopniu, w jakim ogranicza się do przestrzenno-czasowych obszarów o stałym potencjale grawitacyjnym”.

1913 : „Doszedłem do wniosku, że prędkości światła nie należy uważać za niezależną od potencjału grawitacyjnego. Zatem zasada stałości prędkości światła jest niezgodna z hipotezą równoważności ”.

1914 : „W przypadku, gdy odrzucamy postulat stałości prędkości światła, z góry nie ma uprzywilejowanych układów współrzędnych”.

1915 : „autor tych linii jest zdania, że ​​teoria względności nadal wymaga uogólnienia, w tym sensie, że należy porzucić zasadę stałości prędkości światła”.

1916 : „Po drugie, nasz wynik pokazuje, że zgodnie z ogólną teorią względności, prawo stałości prędkości światła w próżni, które stanowi jedno z dwóch podstawowych założeń specjalnej teorii względności i do którego często już o tym mówiliśmy, nie możemy domagać się żadnej nieograniczonej ważności ”.

1920 : „Po drugie, konsekwencja ta pokazuje, że prawo stałości prędkości światła nie obowiązuje już, zgodnie z ogólną teorią względności, w przestrzeniach, które mają pola grawitacyjne. Jak pokazuje prosta uwaga geometryczna, krzywizna promieni świetlnych występuje tylko w przestrzeniach, w których prędkość światła jest zmienna przestrzennie ”.

Einstein mówił także o „załamaniu promieni świetlnych przez pole grawitacyjne” . Podobnie Newton, patrz zapytanie Opticks 20: „Czy to eteryczne medium nie wydostaje się z wody, szkła, kryształu i innych zwartych i gęstych ciał w pustych przestrzeniach, staje się gęstsze i gęstsze ze względu na stopnie, a tym samym załamuje promienie światło nie w jednym punkcie, ale poprzez zginanie ich stopniowo w liniach krzywych? ” Naprawdę jest to załamanie, a soczewkowanie grawitacyjne jest właściwym wyrażeniem. Zobacz także sekcję GR Czy prędkość światła jest wszędzie taka sama? Jest to artykuł PhysicsFAQ autorstwa redaktora Dona Koksa. Mówi o Einsteinie i załamaniu i mówi:„światło przyspiesza, gdy unosi się od podłogi do sufitu, i zwalnia, gdy schodzi od sufitu do podłogi; to nie jest jak piłka, która zwalnia w drodze do góry i idzie szybciej w dół”. Czy to nie interesujące?

Wiele osób powie ci, że krzywe światła „ponieważ podążają za krzywizną czasoprzestrzeni” , ale to też nie jest właściwe. Krzywizna czasoprzestrzenna jest związana z siłą pływową, a nie z siłą grawitacji. Zobacz moje artykuły z „detektywem fizyki” na temat prędkości światła i działania grawitacji, aby uzyskać szczegółowe informacje i odniesienia.