Eğer ışığın kütlesi yoksa, neden yerçekiminden etkilenir?

Işık kütleli olanların yapacağı yerçekimsel bir alanda hızlanmaz, çünkü ışığın evrensel olarak sabit bir hızı vardır. Bu istisna neden?

Bu soruyu cevaplamanın başka bir yolu, Einstein'ın “en mutlu düşüncesi” olarak adlandırdığı Eşdeğerlik İlkesini uygulamaktır (yani iyi olması gerektiğini biliyorsunuz). Eşdeğerlik ilkesi, Newton'un bir çekim alanı olarak adlandırdığı şeyin varlığında kapalı bir kutudaysanız, o zaman bu kutuda gerçekleşen her şeyin, kutu yerçekimi alanında değil, aynı zamanda yukarı doğru hızlanıyormuş gibi olması gerektiğini söyler. . Böylece, bir topu serbest bıraktığınızda, topun yerçekimi tarafından aşağı doğru ilerlediğini veya topun yukarı doğru ivme kazandığını ve topun basitçe geride bırakıldığını hayal edebilirsiniz (ironik olarak, yapabileceğiniz gerilmelerle daha iyi kontrol eder) Topunuzda bulunmayan her bir nesneyi kolayca tespit edin, şu an alttan aldığınız duygu da dahil).

Bu kural göz önüne alındığında, ışığın yerçekiminden nasıl etkilendiğini görmek kolaydır - bir lazerin yatay olarak parladığını hayal edin. "Geride bırakılmış" referans çerçevesinde, ne olacağını görüyoruz - ışın art arda daha yüksek ve daha yüksek bir noktadan başlıyor ve bu yükseltme etkisi hızlanıyor. Böylece, sonlu ışık hızı göz önüne alındığında, ışının şekli aşağı doğru eğri görünecek ve ışın, doğrudan lazerin karşısındaki kutunun duvarındaki noktaya çarpmayacaktır. Bu nedenle, bu aynı zamanda kutunun içinden algılanan şey olmalıdır - ışın noktaya doğrudan lazerin karşısına çarpmaz (bu nokta ışığın yayıldığı noktadan daha yüksek olduğu için) ve yolu aşağı doğru eğri gibi görünüyor. Ergo, ışık "düşüyor".

Aslında, bu Eşdeğerlik İlkesinin kritik bir basitleştirmesidir - maddenin ne olduğunu asla bilmek zorunda değilsiniz, tüm maddeler “aynı düşüyor” çünkü madde için hiçbir şey olmuyor, sadece “geride bırakmanın” sonucu gerçekte ne varsa üzerinde kuvvetler vardır ve gerçekte hızlanıyor.

Bu arada, Newton'un gravitesinde bile, kütlesiz nesnelerin kütleli olanlarla "aynı düşeceğini" not etmek ilginçtir, ancak bunun bir limit almayı gerektirdiğini görmek ilginçtir. Basitçe bir topu, daha sonra daha düşük bir kütle topunu, daha sonra daha düşük bir kütle topunu düşürün. Newtonian yerçekimi altında tüm nesneler aynı düşüyor. Yani sadece sıfır kütle sınırına ilerleyin, bu sınırın yolu boyunca herhangi bir fark göremezsiniz. Bununla birlikte, Newton yerçekimi, yerçekimi içindeki ışığın yörüngesi için doğru cevabı alamaz, çünkü Newton fizik ışık hızını doğru işlemez.

Sorunuza yaklaşmanın birkaç yolu var:

$c$

Fotonlar bir yerçekimi varlığında iyi hızlanmazken, ondan başka şekillerde etkilenirler. Spesifik olarak, bir yerçekim kuyusuna giren fotonlar mavi, bir tanesini bırakan fotonlar kırmızı kaydırılmıştır. Bu kırmızı / mavi kayması bir zaman içinde yerçekiminde yavaşça geçtiğinden meydana gelir. Tüm referans çerçevelerinde, ışığın hızı sabit kalır. Bu konuda wiki hakkında daha fazla bilgi var .

^{Not: Asıl soru özellikle kara deliklere atıfta bulundu. Yukarıdakiler, (kara deliklerin aşırı bir örnektir) herhangi bir madde konsantrasyonu için geçerlidir.}

TL; DR uzay-zaman ızgara ve eğrilik boyunca hareket nedeniyle Işık yerçekimi tarafından etkilenir IS yerçekimi. Bu, kara deliklerde çok görünür hale gelir.also: Einstein > Newton

Kara delikler siyah çünkü “Event Horizon” u aşan hiçbir ışık bir daha kaçamaz. Kütle, uzay-zamanın “ızgarasını” büker. Işık - 2 boyutlu olarak konuşursak - uzay-zaman ızgarasının zemini boyunca ilerler ve eğriliğini takip eder, yani kütle varlığının yarattığı bir külahtan aşağı iner ve tekrar en kısa yol boyunca hareket eder. Bu, ışığın yolculuğunun daha uzun sürmesini sağlar . Şimdi bir kara delik için işler çok daha aşırıdır: Bir kara delik oluşur, bir çok madde Schwarzschild Radius'ta veya daha küçük bir alana sıkıştırılır. Herhangi bir yıldız nesnesinin Schwarzschild Radius'u yalnızca kütlesi ile belirlenir. Yeterince yüksek bir yoğunluğa sahip herhangi bir kütle karadeliğe dönüşür:

r _s = 2 * G / 2 c
Schwarzschild Radius = 2* the gravitational constant / 2 * the speed of light.
İle çarp Mkg cinsinden, bir nesnenin kütlesi ve elindeki r _s çünkü bu kitle.

Ancak karadeliklerin uzayı, ışık kaçmasına izin vermeyecek kadar nasıl eğriğini anlamak için, Schwarzschilds denkleminin sadece küçük bir kısmına bakmalıyız.

Kara delikleri anlamak için bir görüntü boyamak için biz sadece bu orta bölümü gerekir:
1) 2) 3) 4) Biz zaten kurduk r _s belirli bir nesnenin Schwarzschild Radius olarak, r yıldız nesnenin yarıçapı. Ne zaman r kadar küçük olur r _s Eğer bir tekillik olsun ¹ ve garip şeyler OP soruya en önemlisi olmaya başlar, uzay-zaman eğriliği kara deliğinde sonsuz olur (!)
Bu, olay ufkunu herhangi bir noktada kesişen ışığın , kara delikler hunisinden geçmek için sonsuz miktarda zaman alacağı anlamına gelir . Hatta onun sadece çok hafif alay olay ufku, bir çok düz açıyla küme teorisi bize öğretir, çünkü kaybolur: Herhangi sonsuz alt kümesi de sonsuzdur.

İşte bazı ekstra değerlendirmeler:
Yerçekimi uzay-zaman konisi:

Bir kara deliğin yerçekimi uzay-zaman hunisi:

1) Tekillik: Tekillik, temelde, hesap / cebir açısından, sadece sıfıra böldüğünüzde (ki asla yapmazsınız!). 2B tekillik şöyle görünebilir: f(x) = 1/x(tekillik ortada x = 0 konumundadır).

Bir 3B tekillik, / =, x = 1'deki tekillik gibi görünebilir (bu Riemanns zeta işlevidir).

Hızlanma burada önemli değildir. Herhangi bir yerçekimi kuyusu tanımlanabilir bir kaçış hızına sahiptir. Parçacıklar daha hızlı olduğunda bu hız kuyudan kaçar, parçacıklar yavaşlamaz. Bir kara deliğin en tanımı, kaçış hızının ışık parçacıklarının hızını 'c' yi aştığı bir yerçekimi kuyusudur (delik), bu nedenle tanım gereği, ışık delikten kaçamaz, onu 'kara' yapar.

Eğer ışığın kütlesi yoksa, neden yerçekiminden etkilenir?

Çünkü ışığın dalga yapısı vardır ve yerçekimi alanı ışığın hızının değiştiği bir yerdir. Böylece ışık aşağı doğru eğriler. Sonar dalgalarının denizde aşağı doğru eğilme eğiliminde olduğu gibidir:

^{FAS ve ABD Deniz Kuvvetleri'nden görüntü, bkz. Kurs ES310 bölüm 20}

Işık, kütleli şeylerin yapacağı hızlanmayı hızlandırmaz çünkü ışığın evrensel olarak sabit bir hızı vardır. Bu istisna neden?

Bu doğru değil, korkarım. Einstein'ın ne dediğini görün:

1912 : “Öte yandan, ışık hızının sürekliliği ilkesinin, yalnızca kendisini sabit kütleçekim potansiyeli olan uzay-zamansal bölgelere sınırladığı ölçüde sürdürülebileceği görüşündeyim”.

1913 : “Sonuç olarak ışığın hızının yerçekimi potansiyelinden bağımsız olarak görülmemesi gerektiği sonucuna vardım. Bu nedenle, ışık hızının sabitliği ilkesi denklik hipotezi ile uyumlu değildir ”.

1914 : “Işık hızının sabitliğinin varsayımını düşürdüğümüzde, bir öncül, ayrıcalıklı koordinat sistemi yoktur.”

1915 : “Bu çizgilerin yazarı, görelilik teorisinin hala ışığın hızının sürekliliği ilkesinden vazgeçilmesi gerektiği anlamında genelleştirmeye ihtiyaç duyduğu kanısındadır”.

1916 : “İkinci sırada, genel görelilik teorisine göre, görelilik teorisindeki iki temel varsayımdan birini oluşturan ve özel görelilik teorisindeki iki temel varsayımdan birini oluşturan, vakumdaki ışık hızının sabitliği yasası biz zaten sık sık bahsettik, herhangi bir sınırsız geçerlilik iddia edemez ”.

1920 : “İkincisi, bu sonuç, genel görelilik teorisine göre, çekim alanlarının olduğu alanlarda ışığın hızının sürekliliği yasasının artık geçerli olmadığını gösteriyor. Basit bir geometrik düşüncenin gösterdiği gibi, ışık ışınlarının eğriliği yalnızca ışık hızının uzamsal olarak değişken olduğu alanlarda gerçekleşir ”.

Einstein ayrıca “ışık ışınlarının yerçekimi alanı tarafından kırılması” ndan da bahsetti . Newton, öyleyse, bkz. Opticks sorgusu 20: “Bu boş ortamın su, cam, kristal ve diğer kompakt ve yoğun gövdeleri boş alanlarda geçirmemesi, dereceli olarak daha yoğun ve daha yoğun olması ve bu sayede ışınların kırılması anlamına gelir. bir noktada değil ışık, ama eğri hatlarında yavaş yavaş kıvrılarak?” gerçekten kırılma ve yerçekimi mercekleme uygun bir deyimdir. Ayrıca Işık Hızı Her Yerde Aynı mı? Editör Don Koks'un bir PhysicsFAQ makalesi. Einstein ve kırılma hakkında konuşuyor ve şöyle diyor:"yerden tavana doğru yükselirken ışık hızlanır ve tavandan yere inerken yavaşlar; yukarı doğru yavaşlayan ve yolda daha hızlı giden bir top gibi değildir". Bu ilginç değil mi?

Pek çok insan size ışık eğrilerini "uzay zamanının eğriliğini takip ettiği için" söyleyecektir , ama bu da doğru değil. Uzay-zaman eğriliği, yerçekimi kuvveti ile değil, gelgit kuvveti ile ilişkilidir. Işık hızı ve yerçekiminin detaylar ve referanslar için nasıl çalıştığı hakkındaki "fizik dedektifi" makalelerime bakın .