Si la luz no tiene masa, ¿por qué se ve afectada por la gravedad?


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La luz no acelera en un campo gravitacional, lo que harían las cosas con masa, porque la luz tiene una velocidad universalmente constante. ¿Por qué es esa excepción?


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La luz se ve afectada por la gravedad en general, por eso hay lentes gravitacionales. ¿Por qué la gravedad de los agujeros negros sería diferente?
Barmar


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El título se cambió de "Agujeros negros" a "Gravedad", lo que hizo que los comentarios y respuestas existentes fueran confusos.
Grumpy dice Reinstate Monica el

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Genial, ahora son solo un montón de respuestas confusas. La gravedad dobla el espacio-tiempo, el medio a través del cual viaja la luz.
Mazura

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Los fotones no tienen masa en reposo, nunca descansan, ¿verdad? Pero cada fotón existente tiene la masa que es equivalente a su energía ( , o ). νm=Ec2νc2
Peter - Restablece a Mónica el

Respuestas:


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Otra forma de responder a esta pregunta es aplicar el Principio de Equivalencia, que Einstein llamó su "pensamiento más feliz" (para que sepa que tiene que ser bueno). El principio de equivalencia dice que si estás en una caja cerrada en presencia de lo que Newton llamaría un campo gravitacional, entonces todo lo que sucede en esa caja debe ser igual que si la caja no estuviera en un campo gravitacional, sino que acelerara hacia arriba. . Entonces, cuando sueltas una pelota, puedes imaginar que la pelota se acelera hacia abajo por la gravedad, o puedes imaginar todo menos la pelota que se acelera hacia arriba, y la pelota simplemente se queda atrás (lo que, irónicamente, verifica mejor con el estrés que puedes detecta fácilmente en cada objeto a tu alrededor que no esté presente en la pelota, incluida la sensación que estás recibiendo desde el fondo en este momento).

Dada esa regla, es fácil ver cómo la luz se vería afectada por la gravedad; simplemente imagine brillar un láser horizontalmente. En el marco de referencia "dejado atrás", vemos lo que sucedería: el haz comenzaría desde un punto secuencialmente más alto y más alto, y ese efecto de elevación se está acelerando. Entonces, dada la velocidad finita de la luz, la forma del rayo parecería curvarse hacia abajo, y el rayo no golpearía el punto en la pared de la caja directamente opuesta al láser. Por lo tanto, esto también debe ser lo que se percibe desde el interior de la caja: el rayo no golpea el punto directamente enfrente del láser (ya que ese punto se está volviendo más alto que el punto enfrente de donde se emitió la luz) y su trayectoria parece curvarse hacia abajo. Ergo, la luz "cae".

De hecho, esta es la simplificación crucial del Principio de Equivalencia: nunca es necesario saber qué es la sustancia, todas las sustancias "caen igual" porque no le sucede nada a la sustancia, son solo las consecuencias de ser "dejados atrás" por lo que sea que realmente tenga fuerzas y se esté acelerando

Por cierto, es interesante notar que incluso en la gravedad newtoniana, los objetos sin masa "caerían igual" que aquellos con masa, pero para verlo es necesario tomar un límite. Simplemente deje caer una bola en el vacío, luego una bola de masa más baja, luego una masa aún más baja. Todos los objetos caen igual bajo la gravedad newtoniana. Tan simplemente proceda al límite de masa cero, no verá ninguna diferencia a lo largo de la ruta de ese límite. Sin embargo, la gravedad newtoniana no obtiene la respuesta correcta para la trayectoria de la luz en la gravedad, porque la física newtoniana no trata la velocidad de la luz correctamente.


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Bueno, la gravedad newtoniana, ciertamente va a fuerza cero cuando la masa es cero. F=Gm1m2r2
Carl Witthoft

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@CarlWitthoft, F = ma también va a cero cuando la masa es cero. Aplicar fuerza cero a masa cero te da la aceleración que deseas.
Mark

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Estoy desgarrado con esta respuesta ... solo explica que la luz se ve afectada por la gravedad (a modo de experimento mental, nada menos). El OP ya lo sabía: quería saber por qué (que es una lata de gusanos, claro ...). El principio de equivalencia no es la razón por la cual la luz se comporta a su manera, es solo un ayudante didáctico ...
AnoE

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@ JohnDuffield, ok, mi comentario fue un poco frívolo tal vez. Pero en una respuesta aceptada, al menos me gustaría ver mencionar el espacio-tiempo curvo. O una mención de que todas las cosas sin masa siempre se mueven a la velocidad de la luz. Nuevamente, el EP es un "principio": es un experimento mental, no la razón física para que la luz se comporte como lo hace.
AnoE

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@AnoE: la física newtoniana no tenía respuesta sobre por qué la gravedad aparentemente actúa instantáneamente, con la fuerza proporcional al producto de las masas dividido por el cuadrado de la distancia. Es una explicación ad hoc . La relatividad general explica eso (y también explica dónde se queda corto ese modelo newtoniano), pero no explica por qué la velocidad de la luz es (localmente) constante, ni explica qué hace que la curva espacio-tiempo. La mecánica cuántica tiene problemas similares con las preguntas "por qué". La física responde preguntas de "qué". Las preguntas de "por qué" son competencia de la metafísica, la filosofía y la religión.
David Hammen

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Hay un par de formas en que uno puede abordar su pregunta:

Los agujeros negros son regiones del espacio que han sido deformadas por una masa suficientemente concentrada. Las ondas / partículas de luz siempre viajan en línea recta a una velocidad constante ( ). Aunque un fotón que se aproxima a un agujero negro continuará viajando en línea recta a través del espacio, el espacio mismo se ha curvado, por lo que la trayectoria del fotón se curvará.c

Si bien los fotones no se aceleran en presencia de un pozo de gravedad, se ven afectados por él de otras maneras. En concreto, los fotones que entran en un pozo de gravedad se desplazan hacia el azul, mientras que los fotones que salen de uno se desplazan hacia el rojo. Este cambio rojo / azul ocurre porque el tiempo pasa más lento dentro de un pozo de gravedad que fuera. Sin embargo, en todos los marcos de referencia, la velocidad de la luz permanece constante. Hay más información sobre esto en la wiki .


Nota: La pregunta originalmente se refería específicamente a los agujeros negros. Lo anterior se cumple para cualquier concentración de materia (de los cuales los agujeros negros son un ejemplo extremo).


Alex: eliminé "agujero negro" del título, por si algún otro comentarista se queja de eso.
Carl Witthoft

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"Sin embargo, en todos los marcos de referencia, la velocidad de la luz permanece constante". Bueno, todos los marcos de referencia inerciales de todos modos, localmente de todos modos.
Shufflepants

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Además del comentario de Shufflepants, la velocidad de la luz es constante localmente. Si se observara un rayo de luz que se acercara a un agujero negro desde una distancia suficientemente lejana, el rayo parecería estar disminuyendo, ya que el tiempo pasaría más lentamente en el pozo de gravedad alrededor del agujero negro.
rcgldr

@rcgldr, Shufflepants Muy cierto; Lo simplifiqué un poco. Las cosas tienden a complicarse un poco en presencia de pozos de gravedad profunda.
Alex Hajnal

Los fotones viajan en línea recta a través del espacio-tiempo curvo, no del espacio.
Rob Jeffries

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TL; DR La luz se ve afectada por la gravedad porque viaja a lo largo de la cuadrícula espacio-tiempo y su curvatura, que es la gravedad. Esto se vuelve muy visible en los agujeros negros.also: Einstein > Newton

Los agujeros negros son negros porque ninguna luz que cruza el "Horizonte de eventos" puede escapar nunca más. La masa dobla la "rejilla" del espacio-tiempo. La luz, que habla bidimensionalmente , viaja a lo largo del piso de la cuadrícula espacio-tiempo y sigue su curvatura, es decir, desciende por un cono creado por una presencia de masa, y se mueve nuevamente a lo largo del camino más corto. Esto hace que el viaje de la luz tome más tiempo . Ahora, para un agujero negro, las cosas son más extremas: se forma un agujero negro, cuando mucha materia se apiña en un espacio que es igual o menor que el radio de Schwarzschild. El radio de Schwarzschild de cualquier objeto estelar está determinado únicamente por su masa. Cualquier masa con una densidad lo suficientemente alta se convierte en un agujero negro:

r s = 2 * G / 2 c
Radio de Schwarzschild = 2* the gravitational constant / 2 * the speed of light.
Multiplique eso con Mla masa de un objeto en kg y obtendrá las r s para esa masa.

Sin embargo, para comprender cómo los agujeros negros curvan tanto el espacio que no dejan escapar la luz, debemos observar solo una pequeña parte de la ecuación de Schwarzschild.

Para pintar una imagen para comprender los agujeros negros, solo necesitamos esta sección central:
1) Radio de Schwarzschild ecuación rs / r2) Radio de Schwarzschild ecuación rs / rs3) Radio de Schwarzschild ecuación 1/14) Ya hemos establecido que r s es el Radio de Schwarzschild de un objeto en particular, r es el radio del objeto estelar. Cuando r se vuelve tan pequeño como r s obtienes una singularidad 1 y comienzan a ocurrir cosas extrañas, lo más importante para la pregunta de los OP, la curvatura espacio-tiempo en el agujero negro se vuelve infinita (!)Radio de Schwarzschild ecuación 0, singularidad, fatalidad
, esto significa que cualquier luz que se cruce con el horizonte de eventos en cualquier punto tomará una cantidad infinita de tiempo para viajar a través del embudo de los agujeros negros. Incluso en un ángulo muy plano en relación con el horizonte de sucesos, donde está empujándolo ligeramente, se pierde porque la teoría de conjuntos nos enseña: cualquier subconjunto de infinito también es infinito.

Aquí hay algunas visalizaciones adicionales: Cono de
gravedad espacio-tiempo de la tierra:

Embudo de gravedad espacio-tiempo de un agujero negro:


1) Singularidad: Una singularidad es básicamente, en términos de cálculo / álgebra, justo cuando divides por cero (¡lo que nunca harás!). Una singularidad 2D podría verse así: f(x) = 1/x(la singularidad está en el medio en x = 0).

Una singularidad 3D puede verse así / \, singularidad en x = 1 (esta es la función zeta de Riemanns).


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La aceleración no es relevante aquí. Cualquier pozo de gravedad dado tiene una velocidad de escape definible. Las partículas más rápido que esa velocidad escapan del pozo, las partículas más lentas no. La definición misma de un agujero negro es un pozo de gravedad (agujero) donde la velocidad de escape excede 'c' la velocidad de las partículas de luz, por lo que, por definición, la luz no puede escapar del agujero, por lo que es 'negro'.


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No creo que eso sea lo que el OP estaba preguntando, más en la línea de "¿por qué lentes gravitacionales?"
Carl Witthoft

La pregunta actual ya no se parece a la pregunta original.
Paul Smith

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Si la luz no tiene masa, ¿por qué se ve afectada por la gravedad?

Debido a que la luz tiene una naturaleza ondulatoria, y un campo gravitacional es un lugar donde la velocidad de la luz varía. Entonces la luz se curva hacia abajo. Es bastante parecido a la forma en que las ondas de sonar tienden a curvarse hacia abajo en el mar:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Imagen de FAS y la Marina de los EE. UU., Ver curso ES310 capítulo 20

La luz no acelera su aceleración, lo que harían las cosas con masa, porque la luz tiene una velocidad universalmente constante. ¿Por qué es esa excepción?

Eso no está bien, me temo. Vea lo que dijo Einstein:

1912 : "Por otro lado, soy de la opinión de que el principio de la constancia de la velocidad de la luz solo puede mantenerse en la medida en que uno se restrinja a las regiones espacio-temporales de potencial gravitacional constante".

1913 : “Llegué al resultado de que la velocidad de la luz no debe considerarse como independiente del potencial gravitacional. Así, el principio de la constancia de la velocidad de la luz es incompatible con la hipótesis de equivalencia ”.

1914 : "En el caso en que dejamos caer el postulado de la constancia de la velocidad de la luz, existe, a priori, ningún sistema de coordenadas privilegiado".

1915 : "el escritor de estas líneas es de la opinión de que la teoría de la relatividad todavía necesita generalización, en el sentido de que el principio de la constancia de la velocidad de la luz debe ser abandonado".

1916 : "En segundo lugar, nuestro resultado muestra que, de acuerdo con la teoría general de la relatividad, la ley de la constancia de la velocidad de la luz en el vacío, que constituye uno de los dos supuestos fundamentales en la teoría especial de la relatividad y a la que ya nos hemos referido con frecuencia, no podemos reclamar ninguna validez ilimitada ".

1920 : “En segundo lugar, esta consecuencia muestra que la ley de la constancia de la velocidad de la luz ya no se cumple, según la teoría general de la relatividad, en espacios que tienen campos gravitacionales. Como muestra una simple consideración geométrica, la curvatura de los rayos de luz ocurre solo en espacios donde la velocidad de la luz es espacialmente variable ”.

Einstein también habló de "la refracción de los rayos de luz por el campo gravitacional" . Lo mismo hizo Newton, véase la consulta 20 de Opticks : "No este medio etéreo al salir del agua, vidrio, cristal y otros cuerpos compactos y densos en espacios vacíos, se vuelve más y más denso en grados, y de ese modo refracta los rayos del sol". luz no en un punto, sino doblándolos gradualmente en líneas curvas? ” Realmente es una refracción, y la lente gravitacional es una frase apropiada. También vea la sección GR de ¿Es la velocidad de la luz en todas partes igual? Es un artículo de PhysicsFAQ del editor Don Koks. Habla sobre Einstein y la refracción, y dice esto:"la luz se acelera a medida que asciende de piso a techo, y se ralentiza a medida que desciende de techo a piso; no es como una pelota que se desacelera en el camino hacia arriba y baja más rápido". ¿No es eso interesante?

Mucha gente te dirá que las curvas de luz "porque siguen la curvatura del espacio-tiempo" , pero eso tampoco está bien. La curvatura del espacio-tiempo está asociada con la fuerza de marea, no con la fuerza de la gravedad. Vea mis artículos de "detective de física" sobre la velocidad de la luz y cómo funciona la gravedad para obtener detalles y referencias.


¿Les gustaría a los votantes negativos explicar por qué creen que Einstein, Newton y Koks estaban equivocados?
John Duffield

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Más importante aún, ¿le gustaría al votante explicar ese voto positivo? Esta respuesta es, en el mejor de los casos, franca.
David Hammen

@David Hammen: No es marginal. Einstein no estaba equivocado, y tampoco esta respuesta. También vea la desviación y el retraso de la luz del profesor Ned Wright : "En un sentido muy real, el retraso experimentado por la luz al pasar un objeto masivo es responsable de la desviación de la luz" .
John Duffield

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Tiende a confundir la velocidad coordinada de la luz, que es solo una herramienta computacional, pero a menudo se considera que depende de la ubicación en un campo gravitacional, con lo que cualquier observador mediría localmente la velocidad de la luz usando su propia regla y reloj locales. Por ejemplo, en su enlace dice "No hay tiempo que fluya dentro de un reloj óptico, por lo que la altura en algún lugar de la gráfica representa la velocidad real de la luz en ese lugar", pero lo único que un físico puede decir con "el la velocidad real de la luz "es una medida. Los sistemas de coordenadas no únicos implican cantidades no únicas.
Ken G

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Puede usar las citas que desee, el hecho es que todos los observadores locales siempre medirán lo mismo c. Cualquier otra versión de "la velocidad de la luz" es una ramificación de las coordenadas elegidas. El lenguaje de coordenadas no es inusual: decimos "el tiempo se ralentiza en un potencial gravitacional", etc., pero eso también es solo una comparación de coordenadas. Ningún observador experimenta un tiempo más lento que nunca. No es lo invariante.
Ken G
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