Nếu ánh sáng không có khối lượng, tại sao nó bị ảnh hưởng bởi trọng lực?

Ánh sáng không tăng tốc trong trường hấp dẫn, điều mà khối lượng sẽ làm, bởi vì ánh sáng có vận tốc không đổi. Tại sao lại có ngoại lệ?

Một cách khác để trả lời câu hỏi này là áp dụng Nguyên tắc Tương đương, mà Einstein gọi là "suy nghĩ hạnh phúc nhất" của mình (để bạn biết rằng nó phải tốt). Nguyên tắc tương đương nói rằng nếu bạn ở trong một hộp kín có sự hiện diện của cái mà Newton sẽ gọi là trường hấp dẫn, thì mọi thứ xảy ra trong hộp đó phải giống như khi hộp không nằm trong trường hấp dẫn, nhưng thay vào đó tăng tốc lên . Vì vậy, khi bạn thả một quả bóng, bạn có thể tưởng tượng quả bóng được tăng tốc xuống dưới bởi trọng lực, hoặc bạn có thể tưởng tượng mọi thứ trừ quả bóng được tăng tốc lên trên, và quả bóng chỉ đơn giản là bị bỏ lại phía sau (trớ trêu thay, kiểm tra tốt hơn với những căng thẳng bạn có thể dễ dàng phát hiện trên mọi vật thể xung quanh bạn không có trên quả bóng, bao gồm cả cảm giác bạn đang nhận được từ phía dưới của bạn ngay bây giờ).

Theo quy luật đó, thật dễ dàng để thấy ánh sáng sẽ bị ảnh hưởng bởi trọng lực như thế nào - chỉ cần tưởng tượng chiếu tia laser theo chiều ngang. Trong khung tham chiếu "bị bỏ lại phía sau", chúng ta thấy điều gì sẽ xảy ra-- chùm tia sẽ bắt đầu từ điểm cao hơn và cao hơn liên tục, và hiệu ứng nâng cao đó đang tăng tốc. Vì vậy, với tốc độ hữu hạn của ánh sáng, hình dạng của chùm tia sẽ xuất hiện theo đường cong xuống và chùm tia sẽ không chiếu vào điểm trên thành của hộp đối diện trực tiếp với tia laser. Do đó, đây cũng phải là những gì được cảm nhận từ bên trong hộp-- chùm tia không chiếu thẳng vào điểm xuyên qua tia laser (vì điểm đó ngày càng cao hơn điểm xuyên qua nơi phát ra ánh sáng) và đường đi của nó xuất hiện đường cong xuống dưới. Ergo, ánh sáng "rơi".

Thật vậy, đây là sự đơn giản hóa quan trọng của Nguyên tắc Tương đương-- bạn không bao giờ cần biết chất đó là gì, tất cả các chất "giống nhau" bởi vì nó không có gì xảy ra với chất đó, đó chỉ là hậu quả của việc "bị bỏ lại phía sau" bởi bất cứ điều gì thực sự có lực lượng trên nó và đang thực sự tăng tốc.

Ngẫu nhiên, thật thú vị khi lưu ý rằng ngay cả trong lực hấp dẫn của Newton, các vật thể không khối lượng sẽ "rơi giống" như những vật có khối lượng, nhưng để thấy nó đòi hỏi phải có một giới hạn. Đơn giản chỉ cần thả một quả bóng trong chân không, sau đó một quả bóng có khối lượng thấp hơn, rồi khối lượng vẫn thấp hơn. Tất cả các vật thể rơi giống nhau dưới trọng lực Newton. Vì vậy, chỉ cần tiến hành đến giới hạn khối lượng bằng không, bạn sẽ không thấy bất kỳ sự khác biệt nào dọc theo đường đi của giới hạn đó. Tuy nhiên, lực hấp dẫn của Newton không có câu trả lời hoàn toàn đúng cho quỹ đạo của ánh sáng trong trọng lực, bởi vì vật lý Newton không xử lý chính xác tốc độ ánh sáng.

Có một vài cách người ta có thể tiếp cận câu hỏi của bạn:

$c$

Trong khi các photon không tăng tốc khi có trọng lực tốt, chúng bị ảnh hưởng bởi nó theo những cách khác. Cụ thể, các photon đi vào giếng trọng lực bị dịch chuyển màu xanh trong khi các photon rời khỏi một photon bị dịch chuyển màu đỏ. Sự dịch chuyển màu đỏ / xanh này xảy ra do thời gian trôi chậm hơn trong một trọng lực tốt hơn là không có. Tuy nhiên, trong tất cả các khung tham chiếu, tốc độ ánh sáng không đổi. Có nhiều thông tin hơn về điều này trên wiki .

^{Lưu ý: Câu hỏi ban đầu được đề cập cụ thể đến các lỗ đen. Ở trên giữ cho bất kỳ sự tập trung của vật chất (trong đó lỗ đen là một ví dụ cực đoan).}

TL; DR Light bị ảnh hưởng bởi trọng lực vì nó di chuyển dọc theo lưới không gian và độ cong của nó là lực hấp dẫn. Điều này rất dễ thấy trong các lỗ đen.also: Einstein > Newton

Các lỗ đen có màu đen vì không có ánh sáng nào đi qua "Chân trời sự kiện" có thể thoát ra một lần nữa. Khối lượng uốn cong "lưới" không-thời gian. Ánh sáng - nói theo chiều 2 chiều - di chuyển dọc theo sàn của lưới thời gian và đi theo độ cong của nó, tức là nó đi xuống một hình nón được tạo ra bởi sự hiện diện của khối lượng và di chuyển dọc theo con đường ngắn nhất ra ngoài một lần nữa. Điều này làm cho hành trình của ánh sáng mất nhiều thời gian hơn . Bây giờ đối với một lỗ đen, mọi thứ trở nên cực đoan hơn: Một lỗ đen hình thành, khi rất nhiều vật chất được nhồi nhét vào một không gian ở hoặc nhỏ hơn Schwarzschild Radius. Schwarzschild Radius của bất kỳ vật thể sao nào chỉ được xác định bởi khối lượng của nó. Bất kỳ khối lượng nào có độ từ chối đủ cao đều biến thành một lỗ đen:

r _s = 2 * G / 2 c
Schwarzschild Bán kính = 2* the gravitational constant / 2 * the speed of light.
Nhân số đó với M, khối lượng của một vật tính bằng kg và bạn có r _s cho khối lượng đó.

Tuy nhiên, để hiểu làm thế nào các lỗ đen uốn cong không gian nhiều đến mức chúng không cho ánh sáng thoát ra, chúng ta phải xem xét một phần nhỏ của phương trình Schwarzschilds.

Để vẽ một hình ảnh để hiểu các lỗ đen, chúng ta chỉ cần phần giữa này:
1) 2) 3) 4) Chúng ta đã thiết lập r _s là Schwarzschild Radius của một đối tượng cụ thể, r là bán kính của vật thể sao. Khi r trở nên nhỏ như r _s, bạn có một điểm kỳ dị ¹ và những điều kỳ lạ bắt đầu xảy ra, quan trọng nhất là với câu hỏi của OP, độ cong không gian tại lỗ đen trở nên vô hạn (!)
, điều này có nghĩa là bất kỳ ánh sáng nào giao nhau với chân trời sự kiện tại bất kỳ điểm nào cũng sẽ mất một lượng thời gian vô hạn để đi qua phễu lỗ đen. Ngay cả ở một góc rất phẳng so với chân trời sự kiện, nơi nó chỉ hơi chọc vào nó, nó bị mất bởi vì lý thuyết tập hợp dạy chúng ta: bất kỳ tập hợp con nào của vô cực cũng là vô hạn.

Dưới đây là một số hình ảnh bổ sung:
Hình nón thời gian không gian trọng lực của trái đất:

Phễu không gian thời gian của một lỗ đen:

1) Điểm kỳ dị: Về cơ bản, điểm kỳ dị về tính toán / đại số, chỉ khi bạn chia cho số 0 (điều mà bạn sẽ không bao giờ làm!). Một điểm kỳ dị 2D có thể trông giống như thế này: f(x) = 1/x(điểm kỳ dị nằm ở giữa tại x = 0).

Một điểm kỳ dị 3D có thể trông như thế này / \, điểm kỳ dị ở x = 1 (đây là hàm zeta Riemanns).

Tăng tốc không liên quan ở đây. Bất kỳ trọng lực cho trước cũng có một tốc độ thoát xác định. Các hạt nhanh hơn thì vận tốc đó thoát ra khỏi giếng, các hạt chậm hơn thì không. Định nghĩa của lỗ đen là giếng trọng lực (lỗ) trong đó tốc độ thoát vượt quá 'c' tốc độ của các hạt ánh sáng, vì vậy theo định nghĩa, ánh sáng không thể thoát ra khỏi lỗ, khiến nó trở thành 'đen'.

Nếu ánh sáng không có khối lượng, tại sao nó bị ảnh hưởng bởi trọng lực?

Bởi vì ánh sáng có bản chất sóng và trường hấp dẫn là nơi tốc độ ánh sáng thay đổi. Vì vậy, ánh sáng cong xuống. Nó giống như cách sóng sonar có xu hướng cong xuống dưới biển:

^{Hình ảnh từ FAS và Hải quân Hoa Kỳ, xem khóa học ES 310 chương 20}

Ánh sáng không tăng tốc độ gia tốc của nó, điều mà những thứ có khối lượng sẽ làm, bởi vì ánh sáng có vận tốc không đổi. Tại sao lại có ngoại lệ?

Điều đó không đúng tôi sợ. Xem những gì Einstein nói:

1912 : Mặt khác, tôi cho rằng nguyên tắc không đổi của vận tốc ánh sáng chỉ có thể được duy trì khi nó hạn chế bản thân ở những vùng không gian của tiềm năng hấp dẫn không đổi.

1913 : Tôi đã đạt được kết quả là vận tốc ánh sáng không được coi là độc lập với thế năng hấp dẫn. Do đó, nguyên lý của hằng số vận tốc ánh sáng không tương thích với giả thuyết tương đương.

1914 : Triệu Trong trường hợp chúng ta bỏ định đề về hằng số vận tốc ánh sáng, tồn tại, một tiên nghiệm, không có hệ tọa độ đặc quyền.

1915 : Nhà văn của những dòng này cho rằng lý thuyết tương đối vẫn cần khái quát hóa, theo nghĩa là nguyên lý của hằng số vận tốc ánh sáng sẽ bị bỏ rơi.

Năm 1916 : Ở vị trí thứ hai, kết quả của chúng tôi cho thấy, theo lý thuyết tương đối tổng quát, định luật hằng số vận tốc ánh sáng trong chân không, tạo thành một trong hai giả định cơ bản trong lý thuyết tương đối đặc biệt và theo đó chúng tôi đã thường xuyên được giới thiệu, không thể yêu cầu bất kỳ hiệu lực không giới hạn nào.

1920 : Thứ hai, hệ quả này cho thấy quy luật hằng số của tốc độ ánh sáng không còn tồn tại, theo lý thuyết tương đối tổng quát, trong các không gian có trường hấp dẫn. Như một xem xét hình học đơn giản cho thấy, độ cong của các tia sáng chỉ xảy ra trong các không gian nơi tốc độ ánh sáng biến đổi theo không gian.

Einstein cũng đã nói về sự khúc xạ của các tia sáng bởi trường hấp dẫn . Newton cũng vậy, xem Opticks truy vấn 20: Không phải là môi trường aethereal này khi đi ra khỏi nước, thủy tinh, pha lê và các vật thể nhỏ gọn và dày đặc khác trong không gian trống rỗng, phát triển dày đặc và dày đặc hơn theo độ, và điều đó có nghĩa là khúc xạ các tia của ánh sáng không nằm trong một điểm, mà bằng cách uốn cong chúng dần dần theo các đường cong? Đây thực sự là một khúc xạ và thấu kính hấp dẫn là một cụm từ thích hợp. Cũng xem phần GR của Tốc độ ánh sáng ở mọi nơi giống nhau không? Đây là một bài báo Vật lý của biên tập viên Don Koks. Ông nói về Einstein và khúc xạ, và nói điều này:"ánh sáng tăng tốc khi nó bay từ sàn lên trần, và nó chậm lại khi nó rơi từ trần xuống sàn; nó không giống như một quả bóng chậm trên đường lên và đi nhanh hơn trên đường xuống". Điều đó có thú vị không?

Rất nhiều người sẽ nói với bạn rằng các đường cong ánh sáng "bởi vì nó tuân theo độ cong của không thời gian" , nhưng điều đó cũng không đúng. Độ cong không thời gian được liên kết với lực thủy triều, không phải lực hấp dẫn. Xem các bài viết "thám tử vật lý" của tôi về tốc độ ánh sáng và cách thức hoạt động của trọng lực để biết chi tiết và tham khảo.