He publicado un par de artículos que deberían ayudar a comprender esta pregunta.
Si los fotones no tienen masa, ¿cómo es que la luz se ve afectada por la gravedad? ¿La gravedad solo afecta a las partículas con masa? Entonces, para que la luz se doble o se doble por la gravedad, ¿no significa eso que los fotones tienen que tener masa?
– Stian Dahl (21 años)
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Vestfold Noruega
Si bien hemos respondido esta pregunta anteriormente, llega con tanta frecuencia que parece que es hora de intentar poner una versión compacta y fácil de buscar de la respuesta nuevamente. Como una breve vista previa de la respuesta más completa, un fotón tiene energía, que es equivalente a la masa, y por lo tanto interactúa por gravedad con todo lo demás.
Gran parte de la confusión surge porque la palabra “masa” se ha utilizado de dos maneras diferentes en física. La “m” en E = mc2 es (como la ecuación deja en claro) otro símbolo de energía, expresado en diferentes unidades. Esta misma “m” también aparece en la ecuación para el momento p = mv, donde v es la velocidad. La luz tiene energía e impulso, por lo que tiene “m” en este sentido. Esto es lo mismo que aparece en la Relatividad General (o incluso la gravedad newtoniana) como la fuente de los efectos gravitacionales. Entonces la luz definitivamente se ve afectada por la gravedad. Como la luz tiene energía, también es una fuente de efectos gravitacionales en otros objetos, aunque no es muy fuerte en circunstancias normales.
Ahora, cuando las personas describen la “masa” de diferentes objetos, incluidas las partículas, es mucho más conveniente hablar de la masa en reposo, también llamada “masa invariante”, la masa que tiene una partícula en un marco en el que su impulso es cero. De esa manera, no tiene que preguntar qué marco de referencia está utilizando, y simplemente puede dar una masa específica para cada objeto. En ese sentido, la masa de un fotón es cero. Sin embargo, ese no es el término que entra en las ecuaciones gravitacionales.
Aunque la “masa invariante” es invariable bajo la elección del marco de referencia, no lo es bajo la elección de cómo agrupar las cosas en objetos. Por ejemplo, tome dos destellos similares de luz viajando en direcciones opuestas. Cada uno tiene energía E, momento | p | = E / c, y una masa invariante de cero. Como los momentos son opuestos, ya estamos usando el marco de referencia en el que el momento del objeto de dos puntos es cero. La masa invariante del objeto de dos puntos es entonces 2E / c2, no cero. Incluso cuando las cosas no tienen interacción, la masa invariante de la suma no es la suma de las masas invariantes. Una gran caja de fotones tiene energía, momento de impulso promedio cero y, por lo tanto, tiene una masa invariable. Actúa gravitacionalmente como cualquier otra cosa con la misma energía y sin impulso.
Mike W.
Desplazamiento al rojo gravitacional
De Wikipedia, la enciclopedia libre
El desplazamiento al rojo gravitacional de una onda de luz a medida que se mueve hacia arriba contra un campo gravitacional (producido por la estrella amarilla a continuación). El efecto es muy exagerado en este diagrama.
En astrofísica, el desplazamiento hacia el rojo gravitacional o el cambio de Einstein es el proceso por el cual la radiación electromagnética que se origina en una fuente que se encuentra en un campo gravitacional se reduce en frecuencia, o se desplaza hacia el rojo, cuando se observa en una región con un potencial gravitacional más alto. Este es un resultado directo de la dilatación del tiempo gravitacional: si uno está fuera de una fuente gravitacional aislada, la velocidad a la que pasa el tiempo aumenta a medida que uno se aleja de esa fuente. Como la frecuencia es inversa al tiempo (específicamente, el tiempo requerido para completar la oscilación de una onda), la frecuencia de la radiación electromagnética se reduce en un área de mayor potencial gravitacional. Hay una reducción correspondiente de energía cuando la radiación electromagnética se desplaza hacia el rojo, como lo indica la relación de Planck, debido a que la radiación electromagnética se propaga en oposición al gradiente gravitacional. También existe un cambio de blues correspondiente cuando la radiación electromagnética se propaga desde un área de mayor potencial gravitacional a un área de menor potencial gravitacional.
Si se aplica a las longitudes de onda ópticas, esto se manifiesta como un cambio en el color de la luz visible a medida que la longitud de onda de la luz se desplaza hacia la parte roja del espectro de luz. Dado que la frecuencia y la longitud de onda son inversamente proporcionales, esto equivale a decir que la frecuencia de la luz se reduce hacia la parte roja del espectro de luz, dando a este fenómeno el nombre de desplazamiento al rojo.