¿Por qué la luz se ve afectada por la gravedad si los fotones no tienen masa?

Christina Lee ha respondido muy bien a esta pregunta.

Según la Teoría especial de la relatividad de Einstein, no hay ningún experimento que pueda decirle a una persona en una cámara cerrada si está descansando o se mueve a lo largo de una línea recta con velocidad uniforme. Pero cualquier desviación del movimiento uniforme sería notable. Entonces Einstein hizo un experimento mental.

Se coloca en un cohete (cámara cerrada) y lo coloca lejos de cualquier masa gravitante. En tal ubicación, todos los artículos que no están asegurados a las paredes y él mismo flotarían libremente en una cámara. Ahora el cohete se acelera en cierta dirección al arrancar sus motores. Entonces, todos los elementos flotantes y Einstein ‘caerían’ hacia la pared adyacente a los motores (es lo mismo que la situación en la que una persona es empujada al asiento debido a la aceleración del automóvil). Si la aceleración del cohete es igual a la aceleración debida a la gravedad, todos los que están dentro del cohete creerían que el cohete está en la superficie de la tierra.

Hagamos otro experimento en este sistema acelerado. Uno de los observadores en el cohete tiene dos esferas, una de hierro y otra de madera. Deja que los libere simultáneamente. Ambos golpearán el ‘piso’ (pared adyacente a los motores) al mismo tiempo. Esto es lo que sucede en cualquier planeta (descuidando cualquier resistencia debido a la atmósfera). Veamos la causa detrás de este resultado. Cuando un observador sostenía las esferas, estaban en un movimiento acelerado. Tan pronto como los soltó, adquirieron la velocidad del cohete en el instante del lanzamiento (lo que sea que esté en contacto con el cuerpo del cohete tendrá la velocidad del cohete mientras esté en contacto. Es obvio. Pero tan pronto cualquier cosa se desconecta del cuerpo del cohete, adquirirá la velocidad que el cohete tenía en el momento de la desconexión). Ahora estas esferas tienen la misma velocidad en la dirección hacia donde se dirigía el cohete. Pero están separados del cuerpo del cohete. Entonces no hay fuerza (debido a los motores) que actúan sobre ellos. Pero el cohete todavía está acelerando y su velocidad está aumentando. Por lo tanto, en pocos momentos, el ‘piso’ (pared adyacente a los motores) alcanzará esas esferas y las golpeará simultáneamente. Pero un observador que liberó esferas los verá ‘caer’ hacia el ‘piso’ y golpearlo simultáneamente. Entonces él confirmará que hay un campo gravitacional dentro del cohete aplicando la ley de caída libre de Galileo. Si no hubiera sabido que está en un cohete, se habría conformado con que el cohete todavía está en la tierra. Por lo tanto, las observaciones realizadas dentro de un marco de referencia acelerado o no inercial (nuestro cohete) son las mismas que las de la superficie de la tierra.

Entonces, el Principio de Equivalencia dice (en el caso de nuestro cohete acelerador) que el observador no tiene forma de distinguir si su cohete está en un campo gravitacional uniforme o en un marco de referencia acelerado. Einstein dijo que el Principio de Equivalencia es un principio general en física e incluso los fenómenos ópticos y electromagnéticos siguen este principio.

Hagamos otro experimento dentro de nuestro cohete acelerador.

Conecte una fuente de luz a la pared izquierda del cohete. Erigir una serie de placas fluorescentes entre la pared izquierda y la derecha como se muestra en la Figura 1. Ahora una fuente de luz envía un haz de luz hacia la pared derecha y queremos observar el camino de la luz usando estas placas fluorescentes a medida que el cohete se acelera.

Figura 1

[matemáticas] P_1, P_2, P_3 [/ matemáticas] representan placas fluorescentes. El rayo de luz golpeará [matemática] P_1 [/ matemática] en la ubicación [matemática] l1 [/ matemática] en algún momento [matemática] t1 [/ matemática] y producirá un punto fluorescente allí. En el momento [math] t2 [/ math], golpeará [math] P_2 [/ math] en la ubicación [math] l2 [/ math]. Finalmente en el momento [math] t3 [/ math], golpeará [math] P_3 [/ math] en su parte inferior. A medida que el cohete se acelera, la distancia vertical, [matemática] l3 \ thinspace- \ thinspace l2 [/ math], será mayor que [math] l2 \ thinspace – \ thinspace l1 [/ math]. Los intervalos de tiempo [matemática] t2-t1 [/ matemática] y [matemática] t3-t2 [/ matemática] son ​​los mismos. El camino de la luz es curvo (parábola). Aquí, la lógica aplicada es la misma que en el experimento donde dos esferas “cayeron” hacia el “piso” y lo golpearon simultáneamente. Supongamos que nuestro observador no sabe que está en un cohete. Entonces él confirmará que está en la superficie de la tierra y el haz de luz se dobla en un campo gravitacional. Si tomamos el Principio de equivalencia como un principio general en física, la luz de las estrellas distantes también debería doblarse a medida que pasa por el sol. Einstein propuso esto en 1919 y Eddington lo confirmó al observar las posiciones de las estrellas en la vecindad del sol eclipsado. Entonces, la equivalencia del campo gravitacional y los sistemas acelerados se demostró correcta y la luz se dobla en un campo gravitacional.

Referencias

1. ‘Gravity’ de George Gamow.

2. El elevador, el cohete y la gravedad: el principio de equivalencia.

3. http: //hyperphysics.phy-astr.gsu …

Todas estas respuestas hablan del principio relativista general del espacio-tiempo curvo, pero en realidad es mucho más simple que eso. Galileo podría haber respondido: es el martillo y la pluma (excepto que la pluma es un fotón).

Aquí está la demostración realizada en la Luna en 1971:

Como bien entendió Galileo, los objetos que caen bajo la influencia de la gravedad solo se aceleran a la misma velocidad sin importar su masa.

Ahora supongamos que arrojo un martillo al Sol (pero un poco hacia un lado para que no golpee la superficie real del Sol). Supongamos también que hago arreglos para lanzar ese martillo a casi la velocidad de la luz. A medida que pasa el Sol, su movimiento se desviará ligeramente por la gravitación del Sol. Repita este experimento con un mini martillo que es 100 veces menos masivo que el primero. ¿Le importa la gravedad? No, por el principio de “martillo y pluma”. La gravitación acelera todos los objetos con el mismo efecto independientemente de la masa. Repita el experimento con un martillo diez billones de veces menos masivo que ese mini martillo, y verá exactamente la misma ligera desviación por la gravedad del Sol que vio en la primera carrera. Siga recto y, en el límite sin masa, la partícula arrojada por el Sol seguirá siendo desviada por la gravitación del Sol.

En la física newtoniana, a menudo se afirma que la gravedad no puede afectar a las partículas sin masa porque la fuerza gravitacional newtoniana es proporcional al producto de las masas. Masa cero implica fuerza cero. Pero esto es una ilusión del formalismo matemático. Lo único que nos importa es la aceleración y cuando la ecuación de la fuerza gravitacional se combina con la segunda ley de Newton, la masa del cuerpo que cae se cancela. Así es como el formalismo newtoniano incorpora el simple hecho de que la masa no importa. Y no importa cuán ridículamente pequeña sea la masa de la partícula de prueba, la aceleración resultante es exactamente la misma. Si arrojas un acorazado más allá del Sol a casi la velocidad de la luz y también arrojas un martillo y un electrón bajo y un fotón sin masa más allá del Sol, verás que todos se desvían exactamente por el mismo ángulo pequeño .

No es la curvatura del espacio-tiempo lo que garantiza que las partículas sin masa se vean afectadas por la gravitación al igual que las partículas masivas. Es el principio de equivalencia. La gravitación afecta a todo movimiento como una aceleración del marco de referencia. Martillos y plumas caen con la misma aceleración. Y también lo hacen las partículas de luz. La diferencia es que los fotones siempre se mueven a la velocidad de la luz, por lo que los efectos de “caer” en su movimiento normalmente son solo una ligera desviación.

Finalmente, debe tenerse en cuenta que una teoría newtoniana de la gravitación, si bien predice la desviación de la luz por el Sol, obtiene el número incorrecto en un factor de dos. Cuando Eddington observó la desviación de la luz de las estrellas por la gravedad del Sol durante un eclipse solar, y el mundo aclamó la prueba de la teoría de la gravitación de Einstein, todo se redujo a un factor de dos. La desviación por sí sola no demostró nada. Fue la magnitud específica de esa desviación lo que cambió el mundo …

Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la luz se verá afectada de la misma manera que la gravedad afecta a la materia. Esto se debe a que bajo esta teoría, deberíamos pensar en la gravedad no en términos de fuerzas similares a los vectores, sino como consecuencia de la “forma” del universo.
Desde el punto de vista de Newton, la gravedad era una fuerza dirigida linealmente con la cual todos los objetos con masa tiraban de todos los demás objetos con masa. Su análisis mostró que la fuerza de la fuerza era proporcional al producto de las dos masas que se atraían entre sí, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Así, una manzana y la tierra se tirarían la una hacia la otra, y la manzana “cae” del árbol. Dado que la luz (ya sea percibida como un rayo o un fotón) no tiene masa, la ecuación de Newton predice que no será atraída por la gravedad hacia nada, sin importar cuán masiva sea.
Para construir un marco teórico que fuera consistente para todos los observadores y que no dependiera de un marco de referencia fijo independiente, Einstein tuvo que descartar esta percepción de cómo funciona la gravedad e idear una nueva comprensión. Según esta teoría, todos los objetos con masa alteran la curvatura del espacio-tiempo, el tejido de 4 dimensiones del universo. Los objetos que se mueven a través del espacio-tiempo simplemente siguen las curvas que se han creado.
Dado que los cerebros humanos no son buenos para representar cosas en 4 dimensiones, generalmente recurrimos a una analogía en 3 dimensiones. Imagine el espacio-tiempo como una lámina de goma, estirada cuando no hay materia presente. Si colocamos un objeto masivo como una estrella en este “espacio”, empuja hacia abajo dentro de la lámina de goma creando un hoyuelo o hoyo en la goma. un asteroide que volaba junto a la estrella no viajaría en línea recta a medida que rodaba a lo largo de la sábana, se curvaría a medida que avanzaba por la pendiente, saliendo en una nueva dirección. Si un objeto estuviera yendo a la velocidad correcta, podría atascarse en el hoyuelo y viajar alrededor de la estrella en una órbita como una bola alrededor de una ruleta. Hasta ahora, las predicciones de esta teoría son las mismas que las de Newton, pero ahora viene una gran diferencia: si la luz viajara a lo largo de esta lámina de goma del espacio-tiempo, también seguiría la curva, ya que la curvatura del espacio ya está creada por la estrella. De hecho, si el pozo es lo suficientemente profundo y las paredes muy empinadas, la luz podría caer dentro del pozo y nunca escapar. (lo que llamamos un agujero negro) Newton no notó esta curvatura de la luz porque se necesitan objetos muy masivos para obtener algo tan rápido como la luz para curvarse lo suficiente como para que puedas notarlo. Esta es la misma razón por la que todavía aprendemos y usamos la ecuación de Newton: funciona bien la mayor parte del tiempo. Pero los experimentos han demostrado que, de hecho, Newton estaba equivocado y que la luz ES atraída hacia el objeto con masa, como predijo la teoría de Einstein.

En realidad, su pregunta es muy buena, pero lo que necesita saber para responder esta pregunta es solo Relatividad.

Vea lo que sucede, es que la gravedad no es una fuerza de atracción que Newton sugirió, mientras que tiene un significado único. Las fuerzas son aquellas que particularmente necesitan algún tipo de bosones para desembolsar, pero no es el caso de la gravedad. Creo que la cromodinámica cuántica dice que son gravitones en el universo. Pero según Realtivity y Stephan Hawkings, todo el universo es como una cáscara de nuez en la que el espacio es como una lámina de goma que es muy densa en naturaleza e incluso se expande con respecto al tiempo.

La otra cosa que quieres saber sobre el universo para obtener la respuesta es que el tiempo no es lo que la gente común piensa que es. En realidad es una dimensión igual a las coordenadas x, y y z.

La tercera y última cosa que desea saber es que la tela de la que está hecho el espacio de goma reacciona de la misma manera que una lámina de goma cuando se coloca una bola densa u objeto masivo sobre ella. Y, como el caucho produce una curva cuando la masa se coloca encima, la estructura del espacio hace lo mismo.

Cuando un planeta, estrella o galaxia se encuentra en la estructura del espacio-tiempo, en el mismo instante produce una curva para formar la gravedad, es decir, una diferencia en las coordenadas x, y, z, t del universo.

Parece ser así.

Esta curvatura da lugar a un empuje gravitacional a cada objeto presente bajo un campo gravitacional de estrellas.

Por lo tanto, la gravitación es solo una curvatura en cada dimensión del espacio y, a medida que los fotones viajan con respecto a las cuatro dimensiones del espacio, se ven afectados por la gravedad.

En la relatividad general, la gravedad afecta cualquier cosa con energía . Si bien la luz no tiene masa en reposo, todavía tiene energía y, por lo tanto, se ve afectada por la gravedad.

Si piensa en la gravedad como una distorsión en el espacio-tiempo ( a la relatividad general), no importa cuál sea el objeto secundario. Mientras exista, la gravedad lo afecta.

Cuando piensas en cómo la gravedad afecta la luz, realmente necesitas pensar en términos de relatividad general, que describe la gravedad como el efecto de un espacio-tiempo curvo sobre las partículas en movimiento. Resumido por John Wheeler, la masa le dice al espacio cómo curvarse y el espacio-tiempo le dice a la masa cómo moverse.

Cuando aplicamos esto a la luz, comenzamos con el hecho de que la luz viaja en líneas rectas (geodésicas nulas). Sin embargo, cuando tenemos una gran masa (digamos el Sol), curva el espacio a su alrededor, por lo que nuestro rayo de luz seguirá una línea recta en este espacio-tiempo curvo. Este camino nos parecerá inclinado y conduce a los fenómenos de la lente gravitacional.

Por otro lado, esto también responde fácilmente a la pregunta de por qué todas las masas caen a la misma velocidad (o la masa gravitacional es igual a la masa inercial). Las partículas masivas también siguen la geodésica (líneas rectas) en este espacio-tiempo curvo, por lo que si arrojo dos objetos de diferentes masas con la misma velocidad inicial, seguirán la misma geodésica a través del espacio-tiempo, y vemos que ambos objetos tienen el misma aceleración

La fuente de gravedad en la relatividad general es un objeto llamado tensor de tensión-energía, que incluye densidad de energía, densidad de momento, flujo de energía, flujo de momento (que incluye tensión de corte y presión), etc. Obviamente, la luz tiene energía, por lo que actúa gravitacionalmente. en GR. Dado que E = mc2 [matemática] E = mc2 [/ matemática], vemos que la masa aporta una enorme cantidad de energía, por lo que los objetos masivos tienen campos gravitacionales muy fuertes, por lo que los otros términos son insignificantes, por lo que la ley de Newton funciona muy bien. Sin embargo, están allí, por lo que la luz tiene un campo gravitacional, a pesar de que tiene cero ma

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Creo que su pregunta se basa en la famosa cita del Sr. John Wheeler, quien dijo que “el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse”. Esto parece implicar que el movimiento de la materia está dictado por la curva del espacio-tiempo. Aquí, creo, el Sr. Wheeler ha utilizado el término “materia” en un sentido inclusivo y no exclusivo que excluye la energía.

Entonces, otra forma de verlo es a través del prisma de la Relatividad General de Einstein. Esta teoría dice que el espacio-tiempo está distorsionado, no solo por la masa sino también por toda la energía en las proximidades. Ahora, como fácilmente aceptará, una galaxia (con su enorme masa) provoca una inmensa distorsión de la estructura del “espacio-tiempo” del universo en su vecindad. Un fotón, que forma parte del espectro de energía electromagnética, ciertamente tiene energía, pero la cantidad de energía es tan minúscula en comparación con la masa y la energía de la galaxia que prácticamente no tiene un efecto gravitacional palpable en la deformación espacio-temporal de ese sistema galáctico. . En otras palabras, un fotón apenas distorsiona esa tela del espacio-tiempo.

Pero, aunque este fotón prácticamente no tiene efecto gravitacional, ciertamente se mueve en el espacio-tiempo de esa galaxia. En consecuencia, no tiene más remedio que seguir el camino que dicta la tela, que es una geodésica en la geometría del espacio-tiempo. Entonces, un fotón se dobla cerca de una galaxia, no porque la galaxia ejerza una fuerza sobre el fotón, sino porque el fotón tiene que viajar a lo largo del tejido del espacio-tiempo que está deformado y curvado por la presencia de la galaxia.

Sí, la luz se ve afectada por la gravedad pero indirectamente. La luz afecta directamente a la masa (sí, la gravedad es una consecuencia de la masa).

Esto se debe a la teoría general de la relatividad de Einstein: no considera la gravedad como una fuerza vectorial sino como consecuencia de la forma del universo. En esta teoría, consideró una nueva dimensión, la cuarta dimensión llamada Space-Time “Fabric”.

Todos los objetos con masa doblan la “tela” del espacio-tiempo. Un término llamado lente gravitacional es un efecto de la relatividad general de Einstein, que es una analogía utilizada para relacionar la flexión de la luz con la de las lentes de vidrio.

La razón de la lente gravitacional es la presencia de materia oscura (que compone el 85% de la masa espacial total). Los rayos de luz que vienen pasan a través de esta materia oscura y se verían afectados por el campo gravitacional de la materia oscura. Esta es la razón por la lente de los rayos de luz.

La luz se puede cuantificar como partículas de luz fotones …

Estos fotones siguen una geodésica (que es la distancia más corta entre dos puntos), esta no es una línea recta cuando el espacio-tiempo mismo es curvo. La masa y la energía distorsionan la geometría real del espacio-tiempo: es esta distorsión la que einstein propuso y formalizó en GR para explicar la gravedad.

La luz se dobla porque viaja en el espacio-tiempo deformado alrededor de objetos masivos. La luz a veces pasa a través del espacio (o espacio-tiempo) deformado o doblado debido a que un objeto cercano tiene una gravedad muy fuerte. La luz pasa a través de este espacio en lo que (desde el punto de vista de la luz) es una línea recta. Para otros observadores, la luz puede parecer haber seguido un camino doblado. Entonces la gravedad deforma el espacio-tiempo, y la luz parece doblarse a medida que viaja a través de este espacio-tiempo deformado. La luz no está haciendo nada excepto seguir un camino completamente natural a través del espacio. Lo que dice la relatividad general es que cualquier objeto masivo deforma el espacio-tiempo a su alrededor. Puedes pensar en esto con una simple analogía. Imagine una lámina de goma estirada que es completamente plana. Esto representa el espacio-tiempo cuando no hay masa. Ahora, si coloca una bola pesada en la lámina de goma, causará una distorsión en la lámina. Esto es exactamente lo que sucede en el espacio, excepto que está en 3 dimensiones en lugar de dos. Además, un fotón siempre viaja por la distancia más corta entre dos puntos. A medida que el espacio-tiempo se deforma, la luz parece doblarse alrededor de un objeto masivo .

En realidad, no es que el objeto atraiga luz, sino que los fotones viajan por la distancia más corta en un espacio-tiempo curvo. Los fotones de luz no se ven técnicamente afectados por grandes campos gravitacionales; en cambio, el espacio y el tiempo se distorsionan alrededor de objetos increíblemente masivos y la luz simplemente sigue esta curvatura distorsionada del espacio.

Un objeto masivo como un agujero negro dobla el espacio-tiempo de una manera “singular”. Pero no es necesario mirar los agujeros negros para observar fenómenos que pueden afectar la trayectoria de la luz. A través del efecto de lente gravitacional, las estrellas que están “detrás” de las galaxias pueden verse desde la Tierra porque su luz se está doblando por los efectos gravitacionales de la galaxia entre la estrella y la Tierra. Volviendo a la “mecánica” de la relatividad general, la luz viaja por la geodésica, que está determinada por la geometría del espacio-tiempo. Esto último está a su vez determinado por la distribución de la materia en todo el universo. Alrededor de los agujeros negros masivos, la idea de la línea recta, que es una instancia especial de geodésicas en el espacio plano, cambia a una trayectoria curva. Entonces, se puede decir que la luz todavía viaja en línea recta, el único problema es que esta línea recta se deforma por la distribución de masa a su alrededor.

Para entender por qué la luz también se ve afectada por la gravedad, se puede argumentar que la relatividad general es una “extensión” de la relatividad especial, donde se puede pensar que la masa y la energía son lo mismo hasta un “tipo de cambio” fijo dado por la velocidad de luz en el vacío: $ E = mc ^ 2 $. Los fotones no tienen masa, pero sí tienen energía de acuerdo con $ E = h \ nu $, donde $ \ nu $ es la frecuencia de la luz observada. De hecho, la energía es uno de los 10 componentes del tensor de tensión de energía (simétrica) que figura en las ecuaciones de los campos de Einstein para la geometría del espacio-tiempo.

Una vez que todo se mueve de esa manera, independientemente de la masa, la luz misma se ve obligada a seguir. El espacio-tiempo fuera de un agujero negro es curvo, por lo que afecta la luz fuera de un agujero negro. La curvatura fuera del agujero negro fue fijada por la materia que colapsó para formar el agujero negro, y estableció una curvatura que engendra una curvatura igual, que persiste en el tiempo. Para un horizonte de eventos, esos caminos (que funcionan igual de bien independientemente de la masa de la cosa que los sigue) no se alejan más del agujero negro, por lo que nada (ni siquiera la luz) puede escapar porque todo se ve afectado independiente de cuánta masa tiene.

A2A

La luz no se ve afectada por la gravedad. La gravedad no es una influencia, es un fenómeno observado: la distancia entre los objetos disminuye con el tiempo. Esta es una ley física al igual que la primera ley de Newton “Los objetos tienden a moverse a una velocidad constante”, o la segunda ley de la termodinámica “La entropía tiende a aumentar”. Todas estas leyes simplemente significan que el tiempo no es una cantidad independiente, sino que es proporcional a las otras tres cantidades fundamentales: distancia, masa y energía. Esto se debe a que esas cuatro cantidades son solo aspectos diferentes del mismo fenómeno fundamental.

Si usa la ley de gravitación de Newton, que requiere que los objetos tengan masa, obtendrá la predicción de que el camino de la luz no cambia cerca de objetos masivos, pero la ley de Newton está equivocada. La ley de Einstein dice que la distancia entre todos los objetos, incluso los objetos sin masa, disminuirá con el tiempo. Pero incluso eso todavía está mal, porque no tiene en cuenta la teoría cuántica, que dice que la luz no es un objeto concreto, objetivo y en movimiento, es una observación subjetiva y un elemento matemático abstracto. La terminología correcta es decir que en varias observaciones lo suficientemente grandes como para otorgar objetividad, las imágenes ópticas de un objeto distante se deforman en proporción a la masa de otros objetos que se encuentran entre el objeto observado y el observador.

Por ejemplo, esta es una imagen basada en observaciones de una gran cantidad de fotones, lo suficientemente grande como para que todos los que capturen dicha imagen obtengan una imagen similar. En ese sentido, se considera real por consenso. La galaxia distante (azul) está deformada en proporción a la masa de la estrella en primer plano (amarillo).

Pero eso no significa que los objetos reales y objetivos estuvieran viajando a través del espacio desde esa galaxia a la Tierra y su camino fue perturbado por la masa de la estrella. El universo en su conjunto es objetivo, pero las partes que observamos y fenómenos como “viajar por el espacio” son solo subjetivos, y solo “reales” si estamos de acuerdo en que lo son.

Primero, cuando responde una pregunta como esta, debe ir precedida de la teoría que está utilizando. La mayoría de las respuestas aquí se refieren a la relatividad general, lo cual es bastante justo, pero el problema básico de la luz de flexión por gravedad no requiere espacio-tiempo ni geodésicas. Isaac Newton predijo que la luz sería doblada por un campo gravitacional. Resulta que su respuesta es un factor de dos, por lo que no fue correcto, pero la respuesta depende del hecho de que la luz tiene impulso y energía. Si tiene impulso (definitivamente requerido por la teoría electromagnética de maxwell, y verificado por observación) entonces se doblará como si tuviera la masa requerida para la fórmula del momento. Entonces la flexión de la luz es independiente de la relatividad de Einstein. Doblar en la cantidad correcta depende de Einstein, pero eso se debe a que Einstein evalúa correctamente cuál es la energía y el momento, y esos son en realidad independientes de sus interpretaciones del espacio-tiempo. Sao técnicamente no necesita la Relatividad General para explicar por qué la luz se dobla en un campo gravitacional. Lo necesitas SI tu teoría de la gravedad proviene de la Relatividad General. Tenga en cuenta que el Principio de equivalencia también es necesario para obtener la cantidad de curvatura correcta, y eso es independiente de Einstein.

Realmente, esto SIEMPRE me ha confundido. ¿Por qué alguien piensa que un objeto debería necesitar masa para ser afectado por la gravedad? Si dejo caer una pluma y un martillo en la luna, ambos caen exactamente al mismo ritmo. El efecto de un campo gravitacional parece completamente independiente de la masa … La constante de aceleración es la misma independientemente.

Entonces, no es sorprendente que cuando Einstein resolvió sus ecuaciones para la relatividad general, encontró exactamente lo mismo que ya sabíamos. Los objetos sin masa son afectados por la gravedad.

Ahora, si realmente necesita masa para sentirse cómodo, puede usar la ecuación antigua E = mc ^ 2. Voilà, tienes una masa para la luz. ¿Pero realmente lo necesitas? No. Diferentes fotones de energía recorrerán el mismo camino por un objeto masivo. Así como diferentes objetos de masa caerán a la misma velocidad …

Los fotones no tienen “masa invariante”; es decir, masa que no es un componente de su término cinético en la ecuación de campo. Sin embargo, este término cinético les da energía, y la energía es directamente relacionada con la masa.

La masa de un fotón es simplemente muy pequeña. ¿Cuán pequeño? Un fotón de luz verde, longitud de onda de aproximadamente 500 nm, tiene una frecuencia de aproximadamente 600 THz., Dándole una energía por la ecuación de Planck de 3.9756 x 10 ^ -19 J. Ahora, la ecuación general para la equivalencia de masa-energía es ligeramente diferente de la forma bien conocida: E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m ^ 2c ^ 4, donde P representa la “masa relativista” de la partícula debido a su velocidad. si la “masa relativista” es cero, porque la velocidad es cero, entonces la ecuación se simplifica a la ubicua E = mc ^ 2. Pero, si la partícula no tiene masa, todo ese término de masa se cancela y, en cambio, la ecuación se simplifica a E = pc. Conocemos E y c, por lo que la “masa relativista” es fácil de calcular: p = E / c ~ = 1.2652 x 10-27 g.

Esa es una masa extremadamente pequeña. Sin embargo, la mayoría de las cosas que nos interesan tienen más que suficiente para compensar la diferencia en la ecuación de gravitación: Fg = (m1 x m2) / r ^ 2. La masa m1 de nuestro fotón es realmente pequeña, pero la masa de la Tierra es de aproximadamente 6 x 10 ^ 27g, por lo que incluso algo tan pequeño como nuestro pequeño y humilde planeta puede tener una fuerza de un Newton sobre la luz que pasa por nosotros. Sin embargo, hay varios problemas al observar las lentes de la Tierra; primero, ese término de radio es bastante grande, aproximadamente 160,000m hasta el borde del espacio (y otros 3 millones de metros hasta el centro de masa, que es lo que realmente importa). Segundo, la cantidad de tiempo que pasa un fotón que está tan lejos de la Tierra es infinitesimal. En tercer lugar, lo más lejos que una nave espacial humana se ha alejado de la Tierra es aproximadamente 65 segundos luz, por lo que la luz de las lentes alrededor de la Tierra ha tenido un tiempo relativamente insignificante para doblarse. Por último, la Tierra, aunque no es un radiador del orden de nuestro Sol, vuelve a emitir una radiación significativa, por lo que el único fotón verde se perdería en el ruido de nuestro propio planeta, por no mencionar que millones de toneladas de energía son emitido cada segundo por nuestro sol.

Sin embargo, un agujero negro tiene un rango de entre 5 y 100 masas solares. Una masa solar es de aproximadamente 333,000 masas terrestres. Entonces, justo allí, el numerador de la ecuación se hace MUCHO más grande. Además, dada la distancia que tiene que recorrer un fotón para llegar hasta nosotros desde los agujeros negros conocidos más cercanos, una desviación de incluso un milisegundo de arco durante las pequeñas fracciones de segundo la luz está lo suficientemente cerca como para que la gravedad lo afecte significativamente se vuelve significativo Los agujeros negros, a diferencia de prácticamente todo lo demás en el universo, tampoco emiten radiación del tipo que estamos buscando en forma de nuestro fotón verde; la radiación que emiten, la radiación de Hawking, se expulsa de los polos de un agujero negro giratorio, y si estuviéramos en línea con el chorro de gamma de energía ultraalta causada por el agujero negro que destruye millones de toneladas de masa cercana de sus restos disco de acreción cada segundo, estaríamos muertos MUCHO antes de darnos cuenta. Entonces, los agujeros negros son un excelente ejemplo de lentes gravitacionales.

Puede conceptualizar esto fácilmente. Un fotón nunca está en reposo. Siempre se mueve hasta que no le quede energía. ¡Pero mientras se mueve, lleva un impulso y, por lo tanto, exhibe las propiedades físicas de una partícula!

Al igual que una bala disparada desde un rifle ‘se vuelve’ más pesada que su masa en reposo, los fotones también se vuelven más pesados ​​que su masa en reposo cero una vez que se ponen en movimiento.

Otra forma de verlo es que la masa y la energía son solo propiedades intercambiables de la materia. Entonces, si un fotón es una ‘onda’ que transporta energía finita, también debe ser una partícula de masa finita.

Por supuesto, la gravedad siempre actuará sobre las cosas con una masa.

DESCARGO DE RESPONSABILIDAD: Mi respuesta fue solo una forma de “Física para tontos” para conceptualizar las cosas por mí mismo. Contiene fallas serias debido a las suposiciones que he hecho, así que por favor, consulte un libro de texto de Física o una respuesta de un experto en Física para comprender la teoría exacta detrás de los fotones si está interesado en más.

La relatividad explica la gravedad como consecuencia de la curvatura del espacio y el tiempo debido a algo que tiene masa. Primero … tenga esto en cuenta, la relatividad dice que el tiempo y el espacio son iguales. Ahora, considere el espacio y el tiempo como papel celofán. Si le das una bola de aluminio al papel de celofán, dobla esa región del papel de celofán, algo así …

Esto se llama gravedad. La Tierra hace que esto sea espacio y tiempo:

Ahora cualquier materia más pequeña puede girar a su alrededor, al igual que las bolas de aluminio más pequeñas pueden girar alrededor de la más grande en el papel de celofán. Me gusta esto :

¿Qué pasa si mantienes una bola de gran masa en el papel de celofán? Lo rasga Este es el agujero negro!

Ahora salgamos a la luz. Se cree que la luz está compuesta de fotones que están hechos de energía pura .

La relatividad dice que estos fotones incluso se ven afectados por la gravedad. Algo como esto:

Por lo tanto, los agujeros negros pueden absorber la luz.

¡Todo es relativo!

La luz recorre la distancia más corta entre dos puntos. Según la Teoría general de la relatividad de Einstein, la masa (la fuente de gravedad) dobla el espacio-tiempo. En un espacio curvo, la distancia más corta ya no es una línea recta, sino una geodésica. Piensa en una esfera tridimensional. La distancia más corta entre dos puntos en un sheree es un segmento trazado en la superficie por un radio que conecta estos dos puntos y esta línea no es recta. La luz en el espacio-tiempo curvo siempre viaja a lo largo de la línea geodésica (más corta). Dado que la curvatura del espacio-tiempo es de lo que se trata, según Einstein, de la gravedad, decimos coloquialmente que la gravedad dobla los rayos de luz. En realidad, la gravedad dobla el espacio-tiempo y los fotones simplemente viajan la distancia más corta en este espacio-tiempo curvo.

En general, sin masa de fotón es una suposición.

Momento y energía del fotón.

En 1906, Einstein asumió que los cuantos de luz (que luego se denominaron fotón) no tienen masa. Energía relativista E y momento P dado por;

Es posible que podamos permitir m = 0, siempre que la partícula siempre viaje a la velocidad de la luz c. En este caso, la ecuación anterior no servirá para definir E y P; ¿Qué determina el impulso y la energía de una partícula sin masa? No la masa (eso es cero por suposición); no la velocidad (eso siempre es c). La relatividad no ofrece respuesta a esta pregunta, pero curiosamente la mecánica cuántica sí, en la forma de la fórmula de Plank;

Como se desprende de la fórmula de masa relativista de Einstein:

Los físicos no se han detenido bajo la suposición de sin masa. Se hicieron más intentos para aclarar los fotones macizos en física teórica y experimental. Algunos físicos mostraron que hay un límite superior en la masa de fotones, aunque la cantidad es muy pequeña, pero no cero.

Hay muchos artículos que muestran que el fotón tiene un límite superior de masa y carga eléctrica, que son consistentes con las observaciones experimentales. Las teorías y experimentos no se han limitado a fotones y también se incluirán gravitones. Para la gravedad ha habido debates vigorosos sobre incluso el concepto de masa de reposo de gravitones.

En las últimas décadas, se discute la estructura del fotón y los físicos están estudiando la estructura del fotón. Alguna evidencia muestra que el fotón consiste en cargas positivas y negativas. Además, un nuevo experimento muestra que la probabilidad de absorción en cada momento depende de la forma del fotón, también los fotones tienen unos 4 metros de largo, lo que es incompatible con el concepto no estructurado.

Masa de descanso

Como sabemos, algunas partículas como los fotones nunca se ven en reposo en ningún marco de referencia. Entonces, hay dos tipos de partículas en la física;

1-Algunas partículas como el fotón se mueven solo con la velocidad de la luz c, en todos los marcos de referencia inerciales. Llamemos a este tipo de partículas las partículas NR o las partículas de condición Never at Rest.

2-Otras partículas como el electrón siempre se mueven con la velocidad v

Según la definición anterior, el fotón y el gravitón son partículas NR, mientras que el electrón y el protón son partículas.

Cargas de color y color magnético

Un fotón con la energía más baja posible también transporta campos eléctricos y magnéticos. Por lo tanto, las características de los gravitones ingresados ​​en la estructura del fotón deben comportarse de una manera que, junto con la explicación de la energía del fotón, describa el aumento en la intensidad de los campos eléctricos y magnéticos. En otras palabras, algunos de estos gravitones causan un aumento del campo eléctrico del fotón y otros gravitones aumentan la intensidad de los campos magnéticos. Además, no solo un fotón en el nivel más bajo de su energía está formado por algunos de los gravitones, sino que también sus miembros formados tienen propiedades eléctricas y magnéticas que se llaman carga de color y color magnético en la teoría CPH. El siguiente paso es especificar las cargas de color y los colores magnéticos en los que se obtiene prestando atención al menos al cambio en la energía del fotón en un campo gravitacional mientras se mueve hacia el cambio de gravedad azul.

Al producir campos eléctricos positivos y negativos, se forman dos campos magnéticos alrededor de los campos eléctricos que se forman. Por lo tanto, se harán dos grupos de colores magnéticos. Entonces la matriz CPH se define de la siguiente manera:

La matriz CPH muestra la energía de menor magnitud de un fotón.

Energía Sub-Cuántica (SQE)

Utilizamos la matriz CPH para definir energías sub cuánticas positivas y negativas de la siguiente manera: la primera columna de la matriz CPH se define energía sub cuántica positiva y la segunda columna de la matriz CPH se define energía sub cuántica negativa, entonces;

La cantidad de velocidad y energía de las energías sub cuánticas positivas y negativas son iguales, y la diferencia entre ellas solo está en el signo de sus cargas de color y dirección de flujo de color magnético.

Fotones virtuales

Hay dos tipos de fotones virtuales, fotones virtuales positivos y negativos que se definen de la siguiente manera:

Un fotón real está formado por un fotón virtual positivo y un fotón virtual negativo:

Dónde,

son números naturales Hasta ahora, la producción de energía electromagnética (fotones) se describió mediante el uso del desplazamiento azul gravitacional, en fenómenos inversos, los fotones se descomponen en fotones virtuales negativos y positivos. En el desplazamiento al rojo, los fotones virtuales también se descomponen en energías sub cuánticas positivas y negativas ( SQE s), y las energías sub cuánticas (SQE) también se descomponen en cargas de color y colores magnéticos. Las cargas de color y los colores magnéticos se separan, pierden su efecto entre sí y se convierten en gravitones. Además, existe una relación entre el número de SQEs en la estructura del fotón y la energía (también frecuencia) del fotón.

Entonces, los fotones son una combinación de fotones virtuales positivos y negativos. El fotón es un dipolo eléctrico muy débil que es consistente con la experiencia y se afirman estos artículos. Además, esta propiedad del fotón (dipolo eléctrico muy débil) puede describir la energía de absorción y emisión por partículas cargadas.

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Se dice que los fotones no tienen masa.

Parece contradictorio, pero Steven Weinberg, Sheldon Glashow y Abdus Salam compartieron el Premio Nobel de Física de 1979 por la unificación de la fuerza electro-débil, que en parte muestra que los fotones tienen una masa en reposo de cero.

Hace unas dos semanas, un físico en Quora me explicó que la gravedad curva la estructura del espacio-tiempo y que la luz simplemente sigue la curvatura.

Este efecto llamado lente gravitacional se dramatiza maravillosamente por una sorprendente formación llamada Cruz de Einstein, que es un quásar distante que se divide en cuatro imágenes por la curvatura de lente de una galaxia cercana.

En el espacio-tiempo, el campo gravitacional de la estrella cambia los caminos de los rayos de luz. Como todos sabemos, la luz está compuesta de partículas llamadas fotones. El camino seguido en el espacio y el tiempo por el destello de luces que se emiten desde la estrella se muestra con conos de luz, y los conos de luz se doblan ligeramente hacia adentro en sus puntas cerca de la superficie de la estrella. Y esto se puede ver en la curvatura de la luz de las estrellas distantes que se puede observar durante un eclipse de sol. A medida que se produce la contracción de las estrellas, el campo gravitacional en su superficie se vuelve más fuerte y los conos de luz se inclinan más hacia adentro. Y esto obviamente hace que sea más difícil para la luz de la estrella escapar, y como resultado la luz parece más tenue y más roja para un observador a distancia.

De repente, cuando la estrella se contrae a un cierto radio crítico, el campo gravitacional en la superficie se vuelve tan fuerte que los conos de luz se doblan tanto hacia adentro que la luz ya no puede escapar. De acuerdo con la teoría de la relatividad, nada puede viajar más rápido que la luz. Por lo tanto, si la luz no puede escapar, entonces nada puede. Todo es arrastrado hacia atrás por el campo gravitacional. Entonces, la región del espacio-tiempo de la que no es posible escapar se conoce como un agujero negro, y el límite del agujero negro se llama horizonte de eventos. El límite o incluso el horizonte coincide con la trayectoria de los rayos de luz que simplemente no logran escapar del agujero negro.

En el horizonte de sucesos, los caminos de los rayos de luz no podrían acercarse entre sí, porque si lo fueran, eventualmente se encontrarían. Y esto viola la segunda ley de la termodinámica, ya que reduce la entropía que no es posible. Un argumento es que si estos rayos de luz fueran tragados por el agujero negro, entonces no podrían haber estado en el límite del agujero negro. Entonces, en el horizonte de sucesos, los rayos de luz tenían que moverse paralelamente o alejarse uno del otro.

Para saber más, lea “Theory of Everything” de Stephen Hawking.

Algunas buenas respuestas, pero, francamente, no puedo visualizar los fotones yendo por el “camino más recto posible” a través del espacio-tiempo curvo. Además, esta noción no respondería a la pregunta de por qué un objeto estacionario comenzaría a caer en primer lugar si aún no se estuviera moviendo.

La gravedad afecta mediblemente dos cosas:

1. HORA. Las cosas reducen su velocidad de movimiento y, por lo tanto, los relojes de TODO tipo se ralentizan por igual, cuanto más cerca estén de una gran masa. Entonces, naturalmente, con la parte externa del rayo de luz yendo más rápido, se dobla. Esto explica la mitad de la flexión.
2. ESPACIO RADIAL O los palos de medición se contraen radialmente o el espacio se expande (no hay forma de saber cuál). La razón por la que esto afectaría a la luz es más oscura, pero lo he explicado para que cualquiera pueda entender, con imágenes, en un documento reciente Aproximación geodésica numérica para el análisis teórico y experimental de flexión de la luz (no dejes que el título te desanime, solo saltar las partes técnicas)

En cuanto a cómo o por qué la gravedad afecta esas dos cosas, esa es otra pregunta. 😀