Якщо світло не має маси, чому на нього впливає сила тяжіння?

51

Світло не прискорюється в гравітаційному полі, як це роблять речі з масою, оскільки світло має універсальну постійну швидкість. Чому це виняток?

light general-relativity

— Рахул Сінгх
джерело

3

Загалом, на світло впливає гравітація, тому існує гравітаційне лінзування. Чому гравітація від чорних дір буде інакшою?

— Бармар

11

Вас може зацікавити те, як гравітація може впливати на світло? , Чому гравітація не прискорює світло? і Швидкість світла в гравітаційному полі? з фізики SE.

— Джон Ренні

8

Назва була змінена з "Чорні діри" на "Гравітація", що зробило існуючі коментарі та відповіді заплутаними.

— жалібно каже, що поверніть Моніку

4

Чудово, зараз це лише купа заплутаних відповідей. Гравітація вигинає простір-час, середовище, через яке проходить світло.

— Мазура

4

Фотони не мають спокійної маси - вони ніколи не відпочивають, чи не так. Але кожен існуючий фотон має масу, еквівалентну його енергії ( , або ).

m = \frac{E}{c^{2}}

$m = \frac{E}{c^2}$

\frac{ℏ * ν}{c^{2}}

$\frac{\hbar*\nu}{c^2}$

— Пітер - Відновіть Моніку

49

Ще один спосіб відповісти на це питання - застосувати Принцип еквівалентності, який Ейнштейн назвав своєю "найщасливішою думкою" (тому ви знаєте, що це має бути добре). Принцип еквівалентності говорить про те, що якщо ви знаходитесь у закритому вікні за наявності того, що Ньютон назвав би гравітаційним полем, то все, що відбувається в цьому полі, повинно бути таким же, як якщо б поле не було в гравітаційному полі, а прискорювалося наверх . Отже, випускаючи кульку, ви можете уявити, що м'яч прискорюється вниз по силі тяжіння, або ви можете уявити собі все, але м'яч прискорюється вгору, а м'яч просто залишається позаду (що, як не дивно, краще перевіряє напруження, які ви можете легко виявити на кожному навколо вас об'єкт, який не присутній на кульці, включаючи відчуття, які ви отримуєте зі свого дна прямо зараз).

Враховуючи це правило, легко зрозуміти, як на світло вплинула би сила тяжіння - просто уявіть, як світить лазер горизонтально. У "відставній" рамці відліку ми бачимо, що трапиться - промінь починався б з послідовно вищої та вищої точки, і цей ефект підвищення збільшується . Отже, зважаючи на кінцеву швидкість світла, форма променя, здавалося б, вигинається вниз, і промінь не вдарятиметься про точку на стінці коробки прямо навпроти лазера. Отже, це також має бути те, що сприймається всередині коробки - промінь не вражає точку прямо навпроти лазера (оскільки ця точка стає вище, ніж точка навпроти неї, де випромінюється світло), і її шлях Здається, вигин вниз. Ерго, світло "падає".

Дійсно, це найважливіше спрощення принципу еквівалентності - ніколи не потрібно знати, що це за речовина, всі речовини «падають однаково», тому що з речовиною нічого не відбувається, це лише наслідки того, що їх «залишити» все, що насправді має на це сили і насправді прискорюється.

Між іншим, цікаво відзначити, що навіть у ньютонівській гравітації безмассові об'єкти «падають такими ж», як і ті, що мають масу, але для того, щоб побачити це, потрібно взяти обмеження. Просто опустіть кулю у вакуум, потім кулю меншої маси, потім нижню нерухому масу. Усі об’єкти падають однаково під гравітацією Ньютона. Тому просто приступайте до межі нульової маси, ви не побачите різниці на шляху цієї межі. Тим не менш, гравітація Ньютона не отримує відповіді цілком правильної для траєкторії світла у гравітації, оскільки фізика Ньютона не ставиться до швидкості світла правильно.

— Кен Г
джерело

8

Ну, ньютонівська гравітація, безумовно, йде до нульової сили, коли маса дорівнює нулю.

F = \frac{G m_{1} m_{2}}{r^{2}}

$F = \frac{Gm_1m_2}{r^2}$

— Карл Віттофт

10

@CarlWitthoft, F = ma також йде до нуля, коли маса дорівнює нулю. Застосування нульової сили до нульової маси дає будь-яке бажане прискорення.

— Позначте

8

Мене роздирає ця відповідь ... це просто пояснює, що на світло впливає гравітація (не менш мислительний експеримент). ОП це вже знав - він хотів знати, чому (що може бути з глистами, впевнено ...). Принцип еквівалентності не є причиною того, що світло веде себе так, це просто дидактичний помічник ...

— AnoE

6

@JohnDuffield, гаразд, мій коментар був трохи легковажним, можливо. Але у прийнятій відповіді я хоч хотів би побачити згадуваний зігнутий простір. Або згадка про те, що всі безмасштабні речі завжди рухаються зі швидкістю світла. Знову ж таки, ЕП - це "принцип" - це мислений експеримент, а не фізична причина, коли світло поводиться так, як це відбувається.

— AnoE

2

@AnoE - Ньютонівська фізика не мала відповіді на те, чому гравітація, мабуть, діє миттєво, при цьому сила, пропорційна добутку мас, поділена на квадрат відстані. Це спеціальне пояснення. Загальна відносність пояснює це (а також пояснює, де ця ньютонівська модель не вистачає), але вона не пояснює, чому швидкість світла (локально) постійна, а також не пояснює, що робить криву простору-часу. Квантова механіка має подібні питання з питаннями "чому". Фізика відповідає на питання "що". Питання "чому" - це мета метафізики, філософії та релігії.

— Девід Хаммен

31

Є кілька способів, як можна підійти до вашого питання:

Чорні діри - це ділянки простору, деформовані досить концентрованою масою. Світлові хвилі / частинки завжди рухаються по прямій зі постійною швидкістю ( ). Хоча фотон, що наближається до чорної діри, буде продовжувати подорожувати прямолінійно через простір, сам простір вигнувся, тому шлях фотона буде кривим. $c$

Хоча фотони не прискорюються при наявності сили тяжіння, вони впливають на нього іншими способами. Зокрема, фотони, що надходять у гравітаційну лунку, синьо зміщені, а фотони, що залишають один, червоно зміщені. Це зміщення червоного / синього відбувається тому, що час проходить повільніше всередині сили тяжіння, ніж без. Однак у всіх системах відліку швидкість світла залишається постійною. Більше інформації про це на вікі .

^{Примітка. Питання спочатку стосувалося чорних дір. Вищезазначене стосується будь-якої концентрації речовини (з яких чорні діри - крайній приклад).}

— Алекс Хайнал
джерело

Олексій - Я видалив "чорну діру" з назви - про всяк випадок, коли хтось із інших коментаторів на це скаржиться.

— Карл Віттофт

2

"Однак у всіх системах відліку швидкість світла залишається постійною." Ну, всі інерціальні системи відліку в будь-якому випадку, локально, все одно.

— Shufflepants

1

Додаючи до коментаря Shufflepants, швидкість світла є локальною постійною. Якщо промінь світла, що наближається до чорної діри, спостерігався з досить далекої відстані, то, здавалося б, промінь сповільнюється, оскільки час буде протікати повільніше в тяжкості, добре навколо чорної діри.

— rcgldr

@rcgldr, Shufflepants Цілком правда; Я трохи спростив це. Речі, як правило, дещо заплутані за наявності глибоких гравітаційних свердловин.

— Алекс Хайнал

Фотони рухаються прямими лініями через вигнутий простір-час, а не простір.

— Роб Джеффріс

3

TL; DR Світ впливає на гравітацію, оскільки він рухається по просторово-часовій сітці та її кривизні, яка є гравітацією. Це стає дуже видно в чорних дірах.also: Einstein > Newton

Чорні діри чорні, тому що жодне світло, що перетинає "Горизонт подій", не зможе втекти більше ніколи. Маса вигинає «сітку» простору-часу. Світло - 2-мірно кажучи - рухається по підлозі сітки простору-часу і слідує за його кривизною, тобто спускається по конусу, створеному наявністю маси, і рухається по найкоротшому шляху назовні. Це змушує подорож світла тривати довше . Тепер для чорної діри все є більш екстремальним: утворюється чорна діра, коли багато речовини забивається в простір, що знаходиться на радіусі Шварцшильда або менше. Радіус Шварцшильда будь-якого зоряного предмета визначається виключно його масою. Будь-яка маса з досить високою денстисті перетворюється на чорну діру:

r _s = 2 * G / 2 c
Радіус Шварцшильда = 2* the gravitational constant / 2 * the speed of light.
Помножте, що на M, маса предмета в кг, і ви отримали r _s для цієї маси.

Однак, щоб зрозуміти, наскільки чорні діри так сильно кривуть простір, що вони не дають світлу втекти, ми повинні розглядати лише невелику частину рівняння Шварцшильда.

Щоб намалювати зображення для розуміння чорних дір, нам знадобиться лише цей середній розділ:
1) 2) 3) 4) Ми вже встановили, що r _s є радіусом Шварцшильда конкретного об'єкта, r - радіус зоряного об'єкта. Коли r стає таким же малим, як r _s, ви отримуєте особливість ^1, і дивні речі починають відбуватися, головне, щоб питання OPs, кривизна простору-часу в чорній дірі стає нескінченною (!)
це означає, що будь-яке світло, що перетинає горизонт події в будь-якій точці, займе нескінченну кількість часу для подорожі по воронці чорних дір. Навіть під дуже плоским кутом відносно горизонту події, де його просто так мало тикають, він втрачається, тому що теорія множин вчить нас: будь-яка підмножина нескінченності також нескінченна.

Ось кілька додаткових візалізацій:
Гравітаційний космос-час-конус землі:

Гравітаційна воронка простору та часу чорної діри:

1) Сингулярність: Сингулярність - це, з точки зору числення / алгебри, саме тоді, коли ви ділите на нуль (чого ви ніколи не зробите!) 2D-сингулярність може виглядати приблизно так: f(x) = 1/x(сингулярність є в середині в х = 0).

3D-сингулярність може виглядати так / \, сингулярність при x = 1 (це зета функція Рімана).

— RaisingAgent
джерело

0

Прискорення тут не має значення. Будь-яка задана гравітаційна свердловина має визначальну швидкість втечі. Частинки швидші за швидкість виходу з свердловини, а частинки повільніші. Саме визначення чорної діри - це гравітаційна свердловина (діра), де швидкість втечі перевищує швидкість «с» швидкості світлових частинок, тому, за визначенням, світло не може вийти з отвору, роблячи його «чорним».

— Пол Сміт
джерело

2

Я не думаю, що це запитувала ОП - більше за принципом "чому гравітаційне лінзування?"

— Карл Віттофт

Поточне запитання вже не нагадує задане спочатку.

— Пол Сміт

-6

Якщо світло не має маси, чому на нього впливає сила тяжіння?

Тому що світло має хвильову природу, а гравітаційне поле - це місце, де швидкість світла змінюється. Тож світлі криві вниз. Це скоріше, як у морі сонні хвилі мають тенденцію до кривих:

^{Зображення з ФАС та ВМС США див. У розділі 20 курсу ES310}

Світло не прискорює його прискорення, як це зробили б речі з масою, оскільки світло має універсальну постійну швидкість. Чому це виняток?

Боюся, це не так. Подивіться, що сказав Ейнштейн:

1912 рік : "З іншого боку, я вважаю, що принцип сталості швидкості світла можна підтримувати лише в тій мірі, в якій він обмежується просторово-часовими областями постійного гравітаційного потенціалу".

1913 рік : «Я дійшов до того, що швидкість світла не слід розглядати як незалежну від гравітаційного потенціалу. Таким чином, принцип сталості швидкості світла несумісний з гіпотезою про еквівалентність ».

1914 р . : "У випадку, коли ми відкидаємо постулат сталості швидкості світла, апріорі не існує привілейованих систем координат".

1915 р . "Письменник цих рядків вважає, що теорія відносності все ще потребує узагальнення, в тому сенсі, що від принципу сталості швидкості світла слід відмовитися".

1916 р . : “По-друге, наш результат показує, що згідно із загальною теорією відносності закон сталісті швидкості світла у вакуумі, який є одним із двох фундаментальних припущень спеціальної теорії відносності і до якого ми вже часто зверталися, не можемо вимагати будь-якої необмеженої дії ».

1920 рік : “По-друге, цей наслідок показує, що закон постійності швидкості світла вже не дотримується відповідно до загальної теорії відносності у просторах, що мають гравітаційні поля. Як показує простий геометричний розгляд, викривлення світлових променів відбувається лише в просторах, де швидкість світла просторово змінюється ».

Ейнштейн також говорив про "заломлення світлових променів гравітаційним полем" . Так само і Ньютон, див. Запит Opticks 20: "Чи не це ефірне середовище при пропусканні води, скла, кристалів та інших компактних і щільних тіл на порожніх просторах, стає все щільніше і щільніше на градуси, і це означає, що заломлює промені світло не в точці, а шляхом їх поступового згинання в кривих лініях? » Це дійсно рефракція, а гравітаційне лінзування - це відповідна фраза. Також дивіться розділ GR: Чи швидкість світла скрізь однакова? Це стаття PhysicsFAQ редактора Дон Кокс. Він говорить про Ейнштейна і заломлення, і говорить про це:"світло прискорюється, коли він піднімається від підлоги до стелі, і сповільнюється, коли спускається зі стелі на підлогу; це не схоже на кулю, яка сповільнюється на шляху вгору і швидше йде вниз". Хіба це не цікаво?

Багато людей скажуть вам, що криві світла "тому, що воно слідує за викривленням простору часу" , але це теж неправильно. Кривизна простору часу пов'язана із силою припливу, а не силою тяжіння. Дивіться мої статті "фізичного детектива" про швидкість світла та про те, як гравітація працює для деталей та довідок

— Джон Даффілд
джерело

Чи хотіли б мешканці пояснити, чому вони вважають, що Ейнштейн, Ньютон і Кокс помилялися?

— Джон Даффілд

7

Що ще важливіше, чи хотів би хвилювач пояснити це голосування? Ця відповідь у кращому випадку бахрома.

— Девід Хаммен

@David Hammen: Це не бахрома. Ейнштейн не помилявся, і це не відповідає. Також дивіться прогин і затримку світла професора Неда Райта : "У дуже реальному сенсі затримка, яку відчуває світло, пропускаючи масивний предмет, відповідає за відхилення світла" .

— Джон Даффілд

1

Ви схильні плутати координатну швидкість світла, яка є лише обчислювальним інструментом, але часто вважається залежною від місця розташування в гравітаційному полі, з тим, що будь-який спостерігач на місцях вимірює швидкість світла, використовуючи свій локальний лінійку та годинник. Наприклад, у своєму посиланні ви говорите: "В оптичному годиннику не протікає час, тому висота в деякому місці на ділянці зображує реальну швидкість світла в цьому місці", але єдине, що фізик може означати " реальна швидкість світла "- це вимірювання. Системи координат, що не є єдиними, передбачають неоднорідні величини.

— Кен Г

2

Ви можете використовувати будь-які цитати, які вам подобаються, адже кожен місцевий спостерігач завжди вимірюватиме один і той же c. Будь-яка інша версія "швидкості світла" - це розгалуження обраних координат. Мова координат не є незвичайною. Ми говоримо, що "час уповільнюється в гравітаційному потенціалі" тощо. - Але це також лише порівняння координат. Жоден досвід спостерігачів не сповільнив час - ніколи. Це не інваріант.

— Кен G