Si los fotones tienen masa cero, ¿por qué sienten los efectos de la gravedad?

Según la ley de gravitación de Newton, la luz sin masa no debería sentir el efecto de la gravedad. Pero, como saben, la ley de gravitación de Newton no es la teoría correcta de la gravitación: la relatividad general (GR) de Einstein sí lo es. Según GR, los objetos masivos doblan el espacio-tiempo a su alrededor y esto es lo que sentimos como gravitación. La masa de la partícula que experimenta este campo gravitacional / espacio-tiempo curvo ni siquiera entra en juego. Una analogía común que se usa es la siguiente: piense en el espacio-tiempo como una membrana estirable. Si coloca un objeto masivo en dicha membrana, hará que se doble y forme una depresión. Si tomas una pelota y le das una velocidad que no apunta hacia el objeto masivo, entonces seguirá una trayectoria muy parecida a los planetas alrededor del sol (si la membrana no tiene fricción). La luz va en línea recta en ausencia de gravedad. En presencia de la gravedad, sin embargo, va a lo largo de lo que se llama geodésica. Esto depende de la naturaleza de la curvatura, o más precisamente, de lo que se llama la métrica de ese espacio-tiempo curvo. En el espacio-tiempo plano (ausencia de gravedad), las geodésicas son líneas rectas y, por lo tanto, la luz toma ese camino. En resumen, la luz siempre viaja a lo largo de una geodésica, pero dado que el espacio-tiempo mismo está curvado cerca de un objeto masivo, observamos que la luz se ve afectada por la gravitación, mientras que todo lo que hace es viajar a lo largo de la geodésica correspondiente a esa curvatura.

Estoy de acuerdo con los carteles que han señalado que los fotones NO tienen masa. Ciertamente, no “reposa” la masa de todos modos porque los fotones nunca pueden estar en reposo. El problema con pensar que la luz está compuesta de “partículas” llamadas fotones es que simplemente no lo es. La mayor parte del tiempo, de cualquier manera.

Los fotones son la fuerza que transportan las ondas electromagnéticas. Una onda electromagnética transporta energía. Cierto. Y hay una equivalencia masa / energía / momento. Cierto. Pero no parece haber ninguna realidad concreta en los fotones, EXCEPTO cuando la onda electromagnética en realidad está interactuando con la materia (es decir, material hecho de átomos).

Esas interacciones ocurren, inicialmente, cuando se emiten fotones debido a cambios cuánticos en los niveles de energía de los electrones en los átomos físicos y más tarde, si / cuando la onda EM generada se cruza con otros átomos, posiblemente siendo absorbida y reemitida. Para todos los demás propósitos prácticos, EM (luz) es solo una onda sin masa que se propaga a una velocidad constante (c) a lo largo de la geodésica en el espacio-tiempo.

La luz se “dobla” alrededor de objetos masivos porque la masa de esos objetos dobla el espacio a su alrededor. Eso cambia la curvatura de la geodésica y la onda de luz simplemente sigue sin pensar. Hay otras formas matemáticamente equivalentes de verlo, pero a menudo dan la imagen engañosa de una onda de luz que es como cuentas en un cable. Realmente no lo es.

El fotón no tiene masa en reposo y se mueve con la velocidad de la luz, adquiere energía y masa a causa de su movimiento. Einstein dio la relación entre masa relativista y masa en reposo como

M = Mo / Gamma ………………………………. (1)

donde Gamma = raíz cuadrada de la cantidad (1 – v al cuadrado / c al cuadrado), v es la velocidad del objeto, c la velocidad de la luz, la masa de reposo Mo, la masa M relativista o la masa del objeto en movimiento.

Pero el fotón se mueve con la velocidad de la luz, por lo tanto, v se vuelve igual a c y también su resto Mo se vuelve igual a cero.

Si sustituimos estos valores de vy la masa en reposo en la ecuación (1),

obtenemos masa relativista M como 0/0. La cantidad 0/0 es indeterminada y no se puede calcular. Por lo tanto, no es posible encontrar la masa relativista del fotón, por lo tanto, su energía, por ejemplo, la masa multiplicada por c al cuadrado o su momento, por ejemplo, la masa multiplicada por la velocidad sobre la base de estas ecuaciones.

El físico De Broglie dio la hipótesis de que la materia cuando se mueve, se mueve en una onda cuya longitud de onda es igual a la constante de Planck dividida por el momento. Matemáticamente, esta ecuación generalmente se escribe como longitud de onda Lambda = h / p.

Además, relacionó la energía de la materia en movimiento con su frecuencia como constante de Planck multiplicada por la frecuencia. Es decir E = hf …………………………… (2), donde E es energía y frecuencia f. Por lo tanto, si el fotón tiene la frecuencia f, su energía sería hf y el momento como h / longitud de onda. Eso también significa que si aumentamos la frecuencia del fotón, su energía aumentará. Es por eso que la luz violeta tiene más energía que la luz roja.

Por lo tanto, igualando esta energía con Mc al cuadrado, obtenemos Mc al cuadrado = hf o M = hf / c al cuadrado. Esto muestra que el fotón adquiere masa debido a su movimiento, mientras que su masa en reposo es cero. Dado que la velocidad de la luz en un medio es constante, por lo tanto, la masa relativista del fotón varía con su frecuencia. Pero la velocidad de la luz permanece constante.

El fotón adquiere una masa igual a hf / c al cuadrado. De acuerdo con las Leyes de movimiento de Newton, una partícula que tiene masa puede acelerarse o desacelerarse aumentando o disminuyendo la fuerza aplicada. Cuando un fotón pasa por un objeto tan masivo, la fuerza de atracción debida a la gravedad atrae al fotón hacia él. Surgirán dos posibilidades, o el fotón será atraído dentro del objeto masivo como en el caso de Blackhole o logrará pasar por el objeto masivo pero con un camino desviado. Cuando el fotón traga el fotón, su masa se fusiona con el agujero negro. Al llegar al caso en que el fotón puede pasar pero su trayectoria se desvía debido a la atracción de la gravedad, el fotón en el proceso pierde una parte de su energía. Aquí la pérdida de energía no afecta su velocidad porque el fotón siempre se mueve con velocidad constante de la luz (en la Mecánica Newtoniana afecta). Sin embargo, la pérdida de energía afecta su frecuencia, que se reduce ya que menos energía de los fotones significa menos frecuencia y aumenta su longitud de onda. Este aumento en la longitud de onda generalmente se llama desplazamiento al rojo. En astronomía, esta desviación en el camino produce dos imágenes de la fuente de fotones y se llama lente gravitacional como ya se explicó anteriormente.

Por lo tanto, los fotones en movimiento se ven afectados por la gravedad, como se demostró experimentalmente.

1) flexión de la luz

Albert Einstein con Arthur Eddington

Era mayo de 1919, cuando el sol debía eclipsarse por completo y el astrónomo Frank Dyson lo consideró, ya era hora de comprobar la veracidad de la teoría de la relatividad con Sir Arthur Eddington. El escenario estaba preparado para ver los rayos de luz provenientes del cúmulo estelar de Hyades para verificar si estos se doblan hacia el sol cuando pasarán por él. Einstein propuso que hay espacio-tiempo que se curva alrededor del cuerpo masivo y que obliga a una masa a seguir ese camino. Y de acuerdo con la teoría especial de la relatividad, la masa de un objeto debe aumentar cuando está en movimiento. Los experimentos para observar los rayos de luz que pasaban cerca del sol se realizaron en dos lugares el día del eclipse y duraron diez minutos. Se observó que la estrella desde donde se emitían los rayos de luz formaba dos imágenes debido a la curvatura de los rayos de luz con curvatura espacio-temporal. Si los fotones de luz no tuvieran masa, ya que estaban en posición de reposo, estos no se habrían visto afectados por la curvatura del espacio-tiempo y se habrían ido directamente. Pero la formación de dos imágenes demostró que los fotones adquirieron masa debido a su movimiento y se sintieron atraídos por la inclinación hacia el sol, un fenómeno conocido popularmente como Lente Gravitacional. Esto demostró experimentalmente que la luz se dobla y puede ser girada por un objeto masivo sin golpear ningún objeto.

Doblado de luz por objeto masivo.

En la imagen de arriba, los rayos de luz comenzaron desde la fuente, cuando entró en el campo gravitacional de un objeto masivo, se inclinó, en lugar de ir directamente y fue recibido en el foco. Del mismo modo, otro rayo de luz que se muestra yendo desde el lado inferior del objeto masivo también fue doblado por el campo gravitacional. Esta curvatura gravitacional formó dos imágenes que se muestran en dos venenos aparentes. Aquí los rayos de luz no han golpeado ningún objeto.

Writer Narinder se graduó en Ingeniería Electrónica y de Comunicación Eléctrica y anteriormente fue Científico, luego Ingeniero de Mantenimiento de Instrumentos, luego Funcionario Civil en el Servicio Administrativo Indio (IAS). Después de jubilarse, escribe sobre temas, astronomía, matemáticas, yoga, humanidad, etc.

Los fotones tienen masa en reposo cero.

La masa en reposo es solo una contribución a lo que se llama tensor de tensión-energía-momento: una cantidad que representa la masa en reposo, la energía potencial, el estrés y la presión internos y las energías cinéticas de un objeto o medio.

La gravedad se origina y actúa sobre el tensor de tensión-energía-momento, no solo en la masa en reposo.

Los fotones tienen un tensor de tensión-energía-momento distinto de cero.

Tu pregunta está un poco equivocada. Un fotón tiene masa en reposo cero, pero tiene impulso. Entonces, un fotón que se mueve a través del espacio se vería afectado por la gravedad. También transfiere su impulso a cualquier objetivo que golpea. ¿Alguna vez has visto un radiómetro? Tuve uno cuando era niño y estaba fascinado por su comportamiento.

Ver el siguiente artículo:

Radiómetro de Crookes – Wikipedia

Todos nos dicen que los fotones no tienen masa. Esto puede ser cierto si observa el problema directamente, pero tienen “masa”.

Si usamos la ecuación:

[matemáticas] E = h * f [/ matemáticas]

Donde E es la energía del fotón, h es la constante de Plank yf es la frecuencia de la luz.

Y la ecuación:

[matemáticas] E = m * c ^ 2 [/ matemáticas]

Podemos decir:

[matemáticas] hf = m * c ^ 2 [/ matemáticas]

y por lo tanto:

[matemáticas] h * f / c ^ 2 = m [/ matemáticas]

Podemos hacer esto para cualquier fotón de cualquier frecuencia.

La prueba es que hf es igual a E y la base SI de E es

[matemáticas] kg * m ^ 2 / s ^ 2 [/ matemáticas]

o Kilogramo metros cuadrados / segundo cuadrado. La unidad base de la velocidad de la luz es:

[matemáticas] m / s [/ matemáticas]

Entonces, cuando divide la energía por la velocidad de la luz al cuadrado, queda la masa del objeto.

Espero que esto ayude.

Puede estar pensando en la ecuación de Isaac Newton “F = ma”. En primer lugar, si eso se aplica, lo que no ocurre con las partículas de masa cero, entonces m = 0 implicaría que la fuerza cero produciría una aceleración arbitraria: las fuerzas no podrían aplicarse a los fotones, pero sus movimientos serían totalmente impredecibles.

Una ecuación de fuerza relativista es “F = dp / dt”. Los fotones tienen impulso, y las fuerzas sobre ellos harían que cambien de impulso tanto en magnitud como en dirección.

Sin embargo, los fotones son un fenómeno cuántico, por lo que un tratamiento adecuado implica la teoría cuántica de campos electrodinámicos, un tema de cierta complejidad. Richard Feynman hizo un trabajo estelar sobre este tema, así que lo remito a sus libros de texto y documentos, o a los que se utilizan actualmente en el nivel de posgrado en física. Lamentablemente, no tengo esa información.

Cuando Einstein intentó explicar la gravedad como una interacción entre la energía y el espacio, propuso cierta deformación del espacio. Su maestro de matemáticas, Minkovski, señaló que solo podía resolver esto al incluir el tiempo como una cuarta dimensión de un nuevo concepto de espacio-tiempo. Lamentablemente, Minkovski murió 3 años después. Einstein primero pensó que esta idea era demasiado académica, pero finalmente la aceptó. La curvatura principal es entre el espacio y el tiempo, como puede ver cuando 2 objetos masivos están en reposo. No se moverían más cerca si solo el espacio fuera curvo, pero viajan en el tiempo a lo largo de caminos paralelos, al igual que 2 corredores que comienzan a correr hacia el norte en la superficie plana deformada de la tierra, para terminar en el mismo punto (polo norte). Sin embargo, existe cierta curvatura espacial pura marginal como resultado de esta curvatura espacio-temporal y las luces siguen esta curvatura.

Cuando un objeto masivo como el sol se acerca al camino de los fotones que provienen de una estrella, vemos que la estrella se mueve. Esto no es porque los fotones se vean afectados por la gravedad, sino porque el espacio está curvado por el sol.

Dividamos su pregunta en las dos partes que presenta.

Gravedad: la luz se ve afectada por la gravedad debido a la lente gravitacional. El espacio-tiempo es el medio fundamental a través del cual viaja la luz (u otra radiación electromagnética). La gravedad, según Einstein, es el fenómeno de la flexión del espacio-tiempo en la materia de presencia. Cuando los fotones viajan a través del espacio-tiempo, lo hacen en línea recta desde su fuente hasta que alcanzan un parche de espacio-tiempo curvo, también conocido como un campo gravitacional fuerte. Entonces el camino ya no es recto y la luz debe viajar a lo largo del camino curvo. Esto es como ver la luz a través de un mármol de cristal transparente. El efecto físico es el mismo. Esto sucede porque una partícula sin masa como un fotón tiene energía cuando se mueve y la energía es igual a la masa.

Otras fuerzas: la luz es un fenómeno electromagnético y, como tal, se ve necesariamente afectada por las fuerzas del electromagnetismo, la fuerza débil (a veces llamada electrodébil) y la fuerza fuerte que muchos físicos sospechan que pertenece a la familia de fuerzas electro.

Recuerde siempre que E = mc ^ 2 no es aplicable para fotones.

Todo el crédito va a la energía. Los fotones tienen energía. Cualquier cosa que tenga energía se doblará cuando se encuentre alrededor de la materia o comprimirá la tela del espacio-tiempo para crear su propia gravedad. Sí, los fotones también crean gravedad. Todo se debe a la energía.

Eddington probó experimentalmente la curvatura de la luz alrededor de la materia. Esto demostró que el General de Relatividad de Einstein era correcto.

La masa en reposo de un fotón es cero, pero no lo es cuando los fotones se mueven.
Este es un concepto muy importante. Y sí, la luz se ve afectada por la gravedad. Pocos años después de la publicación de la teoría de la relatividad, Einstein publicó algunos trabajos adicionales en los que experimentó con la flexión de la luz debido a un fuerte campo gravitacional. Einstein tomó la ayuda de su amigo para capturar una fotografía de la luz entrante del sol en dos momentos diferentes cuando un planeta estaba obstruyendo la luz total y parcialmente. La curvatura de la luz se observó por el movimiento lateral de la luz de la fotografía. Entonces, Einstein probó curvas de luz alrededor de objetos que tienen un fuerte campo gravitacional.
Es posible que desee buscar más información en Google. Compruébalo

La masa es una relación matemática. No afecta las acciones sobre o sobre entidades reales (hechas de materia 3D). Todas las acciones en o sobre una entidad real están en o sobre su contenido de materia 3D. Aunque los fotones (corpúsculos de luz y radiaciones similares) se consideran objetos sin masa, sus núcleos están formados por materia tridimensional. La atracción gravitacional es entre contenido de materia 3D en diferentes cuerpos. Por lo tanto, la atracción gravitacional es aplicable a los fotones (dentro de ciertas restricciones impuestas por la forma del núcleo de materia 3D del fotón) como cualquier otro cuerpo de materia 3D. ver: capítulo 4 de ‘MATERIA (reexaminada)’.

Si por un momento solo usamos la interpretación de partículas de los fotones, entonces los fotones se propagan a través del espacio-tiempo en líneas rectas. Los objetos masivos (estrellas, planetas, etc.) deforman este espacio-tiempo, y esta deformación afecta el camino que recorren los fotones. Todavía viaja en línea recta a través del espacio-tiempo, pero el espacio-tiempo ahora está deformado y, por lo tanto, el camino que recorrió el fotón se deforma de la misma manera. Piense en las viejas bolas rodando en un ejemplo de hoja apretada. La gravedad está afectando el camino por el que viajan los fotones, no los fotones mismos.

La mejor explicación es ver la gravedad como curvatura del espacio-tiempo, luego, sin fuerzas adicionales, todo viaja en línea recta (geodsics). La luz no es diferente (excepto que el viaje geodésico de la luz es la velocidad de la luz geodésica).

Desde el punto de vista del campo, hay un acoplamiento directo entre los fotones y la gravedad. Estos acoplamientos provienen de los términos cinéticos (para todos los campos) y de los términos de masa (cuando el campo tiene masa). Por lo tanto, la masa no es necesaria para interactuar con la gravedad.
Aproximadamente, el término cinético de un campo incluirá [matemática] p ^ 2 G [/ matemática] donde p es el momento de la partícula y G es el campo gravitacional. Un término de masa tiene la forma [matemática] m ^ 2 G [/ matemática] (m es la matemática). Entonces, el término de masa altera la forma en que un campo interactúa con la gravedad. Pero no es la única parte que interactúa.

Me gustaría agregar algunas líneas a lo que Arnav ya ha explicado:

La gravedad no es una fuerza, pero considérela como una curva en el espacio-tiempo. Esta curvatura hace que la luz la siga, no atrae la luz hacia ella.

Considere un drama que se desarrolla en una plataforma.

Gente en la plataforma = Luz. Y plataforma = Gravedad.

Por lo tanto, cualquier cambio (altibajos) en la plataforma haría que los artistas cayeran o subieran, lo mismo sucede con la luz.

Espero que eso explique.

Salud..!

Hacer esto:

1 Deje a un lado la gravedad newtoniana.

2 Piense en la gravedad como una curvatura en el espacio y el tiempo.

¿Hecho?

Cualquier cosa con energía se ve afectada por la gravedad (la masa en reposo es solo una forma de energía). Los fotones tienen masa en reposo cero pero su masa dinámica no es cero. Por lo tanto, siguen las curvas del espacio-tiempo al igual que la masa.

Porque tienen energía y la energía es equivalente a la masa. Puede calcular la desviación de fotones utilizando la gravedad newtoniana y la relatividad especial, pero obtiene un valor que está desactivado por un factor de 2. Ese es el efecto de la curvatura.

Puedes considerar la masa de dos maneras diferentes. Hay masa en reposo y hay masa relativista. Aunque los fotones realmente tienen masa cero, cuando se mueven, tienen una masa que ganan, debido al hecho de que se mueven (equivalencia de masa-energía). Como resultado de esto, los fotones están curvados por el espacio-tiempo.

Creo que te refieres a fotones, no protones. Los protones tienen masa.

Todo se ve afectado por la gravedad, curva el espacio-tiempo en sí mismo, por lo que las líneas rectas (y los fotones tienden a seguir líneas rectas) son curvas.

Tenga en cuenta que el hecho de que no tenga masa no significa que no tenga impulso ni energía en la física relativista.