¿Por qué la luz se curva alrededor de un agujero negro?

¿Por qué la luz se curva alrededor de un agujero negro cuando no tiene ninguna masa para interactuar con la gravedad?

La explicación más común es que la gravedad es una curvatura del espacio / tiempo, no una fuerza (como el electromagnetismo), por lo que la luz simplemente viaja directamente a lo largo de un espacio curvo que es una curva en sí misma.

Una explicación diferente es que, si bien los fotones se consideran partículas sin masa porque su estado de reposo es de masa cero, no están en estado de reposo, tienen una energía específica que se puede medir por su longitud de onda. Cuando interactúan con la materia, los fotones de alta energía causan un retroceso inercial, un ejemplo obvio es cuando un átomo emite un fotón que retrocede en la dirección opuesta. Entonces, si la gravedad es una fuerza, está actuando sobre la energía de los fotones, que es equivalente a la masa.

Hay muchas hipótesis y el jurado aún está fuera, ya que no hemos presentado una teoría probada de la gravedad cuántica o explicaciones para la gravedad adicional y la expansión del universo que la mayoría llama materia oscura y energía oscura.

Hay algunos problemas en juego aquí:

[math] F_g = \ frac {GM m} {r ^ 2} [/ math] es una fórmula clásica. En términos simples, esto significa que esta fórmula funciona siempre que las masas presentes no sean muy grandes o las distancias no sean extremadamente pequeñas.

Cuando comienzas a mirar los agujeros negros, tienes los pesados ​​muy grandes (M grande) o los livianos muy pequeños (R pequeño). Esto significa que realmente no podemos usar la ecuación anterior para determinar qué sucederá.

En algunos casos, la fórmula clásica da una respuesta bastante decente al problema. Sin embargo, en otros casos la respuesta real es muy diferente.

Einstein dio una explicación mucho más precisa de la gravedad (Relatividad especial en 1905 y Relatividad general en 1916, necesitamos la última). Esta teoría es muy contraintuitiva: no evolucionamos para hacer GR, por lo que no estamos acostumbrados a los efectos que puede tener en escalas que nunca hemos visto.

La Relatividad General esencialmente te da una relación entre la curvatura (del espacio-tiempo) y la energía en ese espacio-tiempo. Al igual que en Electrodinámica, donde los campos eléctricos crean campos magnéticos y campos magnéticos nuevamente, campos eléctricos, etc., en la Relatividad general, la materia (o más bien, la energía) curva el espacio-tiempo. Este espacio-tiempo luego curvará el camino de la energía / materia. Y esto volverá a cambiar el espacio-tiempo.

La luz en sí misma no tiene tanta energía: apenas curva el espacio-tiempo. Pero si viaja a través del espacio que es curvo, tiene que seguir la curvatura. Desde el punto de vista externo, esto hace que se vean como curvas de luz alrededor de una estrella / agujero negro.

No lo hace. La luz viaja en línea recta. Es el espacio que es curvo. La gravedad deforma el espacio mismo, y un agujero negro es esencialmente un agujero inimaginablemente profundo en el universo. Cuanto más te acercas, más empinada es la curva del hoyo.

¿Has visto esos pozos de pozo de pozo redondo donde ruedas centavos desde la parte superior y giran en espiral hacia abajo y alrededor? Es el mismo concepto. El centavo no se curva realmente, solo sigue el contorno del pozo. Parece que es curva, pero desde la perspectiva del centavo, se mueve en línea recta.

Esto es lo mismo para la luz. Ahora, la luz no tiene masa, por lo que no deforma el espacio de la misma manera que lo haría un agujero negro. Pero aún viaja a través del espacio igual que todo lo demás, siguiendo las mismas curvas creadas por la masa y la gravedad.

Esta es una de las grandes razones por las cuales la gravedad newtoniana es un modelo incompleto. La gravedad no es simplemente el producto de la masa que atrae masa. Es la curvatura del espacio debido a que esa masa altera la forma del universo.

En realidad, la luz no se dobla porque es arrastrada por la gravedad o algo así, se dobla debido a la curvatura del continuo espacio-tiempo, solo sigue el camino doblado, esta flexión puede ser cuantitativa por análisis tensor de manchas del espacio.
entonces, de acuerdo con este modelo de gravedad, los cuerpos se unen no por cualquier fuerza que actúe entre ellos sino por la curvatura de la curva espacio-temporal sobre la que descansan.

Todos ya han dicho cosas sobre la relatividad general y cómo la gravedad es una curvatura del espacio-tiempo, por lo que quiero señalar una de las presunciones falsas en esta pregunta.

Un agujero negro no tiene masa infinita. Puede tener densidad infinita (no estamos muy seguros), y la densidad es masa / volumen, por lo que puede ser fácil suponer que esto debe significar que la masa también es infinita. Sin embargo, éste no es el caso. En lugar de masa infinita, podría tener una singularidad, lo que significa un volumen de 0, un punto unidimensional, aunque por lo que he leído, muchos físicos no creen que en realidad no tenga volumen. Los agujeros negros en los centros de las galaxias tienen al menos la masa de un par de miles de nuestros soles, y el agujero negro de mayor masa descubierto hasta ahora tiene una masa 40 mil millones de veces mayor que nuestra suma.

Los agujeros negros tienen masas definidas y finitas. Es la densidad la que es infinita en la singularidad, no la masa.

La luz está compuesta de fotones, que tienen masa en reposo cero. Pero tienen masa relativista, porque llevan energía y la equivalencia masa-energía dice [math] E = mc ^ 2 [/ math]. Es esta masa relativista la que interactúa con los campos gravitacionales en el caso de los fotones.

Para que quede un poco claro: la aceleración gravitacional es solo eso: una aceleración. Y es equivalente a las aceleraciones normales. Como la aceleración normal hace que la luz parezca curvarse de la misma manera (y con la misma aceleración) que los cuerpos normales parecen caer, lo mismo sucede con la gravedad.

Este principio de equivalencia es algo de Einstein.

La masa de los fotones no cuenta realmente cómo va el fotón. Simplemente no atrae el agujero negro hacia él *.

* en realidad lo hace, tiene energía y la energía también genera gravedad, no solo masa. Además, la energía de los fotones que caen en el agujero negro aumenta su masa, pero generalmente la radiación de Hawking elimina más de su masa, más rápido.

Como señaló Andrea Tani, la luz siempre viaja en línea recta a través del tejido del espacio-tiempo.

El problema es que cerca de cualquier cuerpo el espacio-tiempo está distorsionado por la gravedad. Cuanto más fuerte es la gravedad, más distorsionado se vuelve el espacio-tiempo.

La luz no tiene ninguna masa. Pero viaja a través del espacio. La velocidad real (velocidad y dirección) de la luz nunca cambia. Pero el espacio real se dobla debido a la relatividad general. La cantidad de distorsión depende de la masa y, en la mayoría de los casos, la aproximación newtoniana da una buena medida de la atracción. Pero a altas velocidades se necesita relatividad.

En realidad, según el concepto de dualidad de partículas de onda, incluso la luz tiene una masa, si se considera partícula (fotón) en lugar de onda. Es tan pequeño que nunca se registra en nuestra vida cotidiana, pero tiene una gravedad casi infinita de agujero negro, sí importa.

El múltiple espacio-tiempo está doblado y la luz sigue el camino geodésico a lo largo del múltiple. El modelo newtoniano de gravedad como fuerza produce la predicción incorrecta.

Tiene que hacerlo, de lo contrario no habría luz y, dado que podemos observar que existen agujeros negros, qué magia de observación nos permite observar lo que no es observable

La luz no se curva, va en línea recta a lo largo de la tela del espacio-tiempo deformada por las inmensas fuerzas gravitacionales generadas por el agujero negro.

Porque, según la teoría de la relatividad de Einstein, la gravedad es una curvatura en el continuo espacio-tiempo.