¿Por qué la luz se dobla en luz?

Permítanme decir primero que me acabo de graduar de la escuela secundaria, por lo que realmente no estoy familiarizado con los tecnicismos de la teoría. Supongo que está tomando lentes gravitacionales y no la curvatura de la luz a través de diferentes medios (como en la interfaz entre el aire y el agua), que se discute en la óptica de rayos.

Albert Einstein cambió el panorama de la física principalmente con sus teorías de la relatividad especial y la relatividad general, ambas basadas en el comportamiento de la luz. Ambas teorías involucraron el concepto de espacio-tiempo hasta cierto punto: Einstein creía que el espacio y el tiempo 3D eran simplemente dimensiones diferentes de un espacio-tiempo 4D. Este tema se relaciona más con la relatividad general.

La base de la relatividad general es el principio de equivalencia, que postula que ningún observador puede distinguir la diferencia entre pararse en un cuerpo gravitacional y acelerar constantemente a través del espacio. Pararse en la superficie de la Tierra se siente casi exactamente como sentarse en un cohete en las profundidades del espacio, ya que acelera a 1 G. Einstein tomó esto como que cuando estamos parados sobre un cuerpo gravitacional, en realidad estamos acelerando lejos del cuerpo. . Nuestro comportamiento natural es caer hacia el cuerpo gravitacional.

¿Por qué? Bueno, toma este gráfico:

Esto se conoce como diagrama de espacio-tiempo. La x representa una dimensión del espacio. ct representa la dimensión del tiempo: la velocidad de la luz, c, se usa para mantener las unidades iguales. La línea azul representa la luz que sale del origen en el tiempo t = 0. El gráfico se dibuja en unidades naturales, donde c se establece en 1. Este valor significa que por cada unidad de tiempo, la luz viaja una unidad en el espacio. Puede interpretar que esto significa que la dimensión del espacio está en segundos claros y la dimensión del tiempo está en segundos. Ahora piense en un objeto una unidad a la derecha del origen en el tiempo t = 0. Ese objeto seguirá un camino vertical recto a medida que t aumenta. Observe que la luz también sigue un camino recto.

En el primer gráfico, asumimos que todos los observadores tienen muy poca masa. Dejemos esa suposición. Einstein sugirió que los objetos masivos no solo se comunican entre sí a través de grandes distancias; en cambio, curvan la geometría del espacio-tiempo en sí mismo, haciendo que los caminos rectos se curven hacia la masa. Digamos que usted es un observador súper masivo (no hace ninguna suposición nueva aquí; esto es solo por el argumento). En relación con usted, así es como se curva el espacio-tiempo:

Aquí es donde mi falta de conocimiento técnico comienza a mostrarse: no sé cómo demostrar intuitivamente el camino curvo de la luz. Lo que he tratado de mostrar es la ruta que tomaría un objeto a una distancia de unidades enteras desde el origen. El camino de la luz en el espacio-tiempo curvo está discontinuo, mientras que el camino normal está punteado. También estoy usando una formulación newtoniana para los caminos, que estoy seguro es incorrecta. Y, por supuesto, esta es una exageración enorme para la mayoría de los objetos. Esto parece más correcto para un agujero negro con una masa de aproximadamente 2 x 10 ^ 35 kg, o 100,000 soles.

Sin embargo, puede comprender que una trayectoria diagonal recta en un espacio-tiempo curvo también se curvaría si aplanara el espacio-tiempo. Imagina dibujar líneas rectas en una pelota de baloncesto. Estas líneas serían localmente rectas, pero convergerán incluso si son paralelas. Alternativamente, imagine a dos personas yendo directamente hacia el norte desde el ecuador. En el ecuador, sus líneas son paralelas, pero aún convergen en el polo norte. Incluso si uno va hacia el norte y el otro hacia el noroeste (tomando un camino diagonal), se encontrarán en el polo norte.

De manera similar, la luz parece doblarse porque su trayectoria a lo largo de una geodésica, una línea recta en una geometría curva, se curva cuando se aplana la geometría del espacio-tiempo. Por supuesto, la geometría del espacio-tiempo es más complicada que la superficie de la Tierra o una pelota de baloncesto porque el espacio parece extenderse infinitamente en todas las direcciones, y no todas las líneas paralelas convergen en el mismo punto. La luz sobre el horizonte de eventos de un agujero negro puede ir infinitamente lejos sin converger en el objeto masivo en el origen. Sin mencionar el hecho de que la superficie de una pelota de baloncesto es una superficie 2D curva, mientras que el espacio-tiempo es una variedad 4D curva. A los físicos les encanta el concepto de realidades de dimensiones superiores, solo pregúntale a cualquier teórico de cuerdas.

Espero que al menos haya sido de alguna ayuda.

La curva de la luz en el fenómeno de interferencia y defracción, que fue explicada por Thomas Young en 1801, fue el primero en introducir la idea de interferencia tanto para la luz como para el sonido.

Aquí la explicación de la difracción .

Difracción de luz

doblar la luz alrededor de un objeto

La difracción es la ligera curvatura de la luz a medida que pasa alrededor del borde de un objeto. La cantidad de flexión depende del tamaño relativo de la longitud de onda de la luz con respecto al tamaño de la abertura. Si la abertura es mucho más grande que la longitud de onda de la luz, la curvatura será casi imperceptible. Sin embargo, si los dos son más cercanos en tamaño o igual, la cantidad de flexión es considerable y se puede ver fácilmente a simple vista.

En la atmósfera, la luz difractada en realidad se dobla alrededor de las partículas atmosféricas; más comúnmente, las partículas atmosféricas son pequeñas gotas de agua que se encuentran en las nubes. La luz difractada puede producir franjas de bandas claras, oscuras o de colores. Un efecto óptico que resulta de la difracción de la luz es el revestimiento plateado que a veces se encuentra alrededor de los bordes de las nubes o coronas que rodean el sol o la luna. La ilustración de arriba muestra cómo la luz (ya sea del sol o de la luna) se dobla alrededor de pequeñas gotas en la nube.

Los efectos ópticos resultantes de la difracción se producen a través de la interferencia de las ondas de luz. Para visualizar esto, imagine las ondas de luz como ondas de agua. Si las ondas de agua fueran incidentes sobre un flotador que reside en la superficie del agua, el flotador rebotaría hacia arriba y hacia abajo en respuesta a las ondas incidentes, produciendo ondas propias. A medida que estas olas se extienden hacia afuera en todas las direcciones desde el flotador, interactúan con otras ondas de agua. Si las crestas de dos ondas se combinan, se produce una onda amplificada (interferencia constructiva). Sin embargo, si se combinan una cresta de una ola y un valle de otra ola, se cancelan entre sí para no producir desplazamiento vertical (interferencia destructiva).

Este concepto también se aplica a las ondas de luz. Cuando la luz solar (o la luz de la luna) encuentra una gota de nube, las ondas de luz se alteran e interactúan entre sí de manera similar a las ondas de agua descritas anteriormente. Si hay interferencia constructiva (las crestas de dos ondas de luz combinadas), la luz aparecerá más brillante. Si hay interferencia destructiva (el canal de una onda de luz que se encuentra con la cresta de otra), la luz aparecerá más oscura o desaparecerá por completo.

Lentes gravitacionales

Cuando la luz atraviesa un cuerpo que genera una enorme fuerza gravitacional (como un Quasar), su trayectoria puede desviarse ligeramente para formar una trayectoria en forma de curva en la geometría del espacio-tiempo:

Esta imagen es del interestelar , del agujero negro ( Gargantua ). En la película, la formación de gas energizado en el disco de acreción genera radiación electromagnética: la luz se está desplazando esencialmente de forma doppler / gravitacional, de ahí la intensidad variable.

Espero que esto ayude.

La luz cambia de velocidad dependiendo de lo que está pasando, por lo que si un rayo golpea una interfaz entre 2 materiales transparentes (como el aire y el agua en la superficie de una piscina) en un ángulo no recto (no perpendicular) se difractará (doblará) en la dirección hacia el lado de menor velocidad. Dado que la gravedad reduce el espacio, cualquier luz que lo atraviese se ralentiza y se dobla (un poco) hacia la masa por la que pasa. Entonces, una masa increíblemente grande como una galaxia actúa como lente y puede enfocar la luz desde una estrella de fondo distante a un punto más cercano a nosotros como una simple lente de vidrio que enfoca la luz solar en un punto.

Ayuda a visualizar el camino de la luz no como una sola línea sino como un haz con un ancho apreciable. Entonces es más fácil “ver” cómo cuando un lado comienza a cruzar la interfaz y entrar en un material “más lento” (mayor índice de refracción) se ralentiza y el haz se dobla en esa dirección.

Para interfaces nítidas y limpias, como el aire frente a una lente o un prisma, solo se dobla en las interfaces de superficie, no se dobla en la mayor parte del vidrio. Es por eso que las lentes Freznel trabajan para ahorrar volumen.

Lo siento si esto no es “intuitivamente obvio para el observador casual”. Pensé que sería … pero claramente no soy maestra.

Si quieres saber si se dobla el espacio-tiempo, entonces no creo que sea tan significativo.

Un efecto significativo que la luz puede tener sobre otra luz es a través de lo que se llama no linealidades. Uno que puede doblar la luz se llama efecto Kerr (efecto Kerr – Wikipedia).

Un campo eléctrico fuerte puede cambiar el índice de refracción de un medio. Tenga en cuenta que para que esto suceda, debe estar en un material especial que tenga estas propiedades no lineales. El espacio libre, o vacío, es un medio LINEAL, y por lo tanto, no espera que esto suceda en el espacio libre.

Imagine que el espacio es una lámina de goma estirada. Esta es una analogía imperfecta, pero para nuestros propósitos, adelante e imagínela.

Coloque un montón de esferas de diferente peso sobre él. Algunos se hundirán más que otros y producirán depresiones más grandes.

Cualquier cosa que viaje a lo largo de esta hoja se curvará hacia cualquier esfera que pase. Cuanto más lento viaja un objeto, más se ve afectado, pero todas las cosas se ven afectadas porque las esferas deforman la estructura misma del espacio.

Imagine que la luz es partículas muy pequeñas que viajan muy rápido a lo largo de esta hoja. Se curvarán hacia las depresiones y, si una depresión es lo suficientemente profunda, nunca escaparán.

Esto es efectivamente lo que está sucediendo en el espacio real.

Imagínese viajando en línea recta sobre la superficie de la tierra si fuera perfectamente liso. Desde su perspectiva local, la superficie es plana y usted sigue una línea recta para siempre. Pero este no es el caso a nivel mundial, ya que la superficie de la Tierra es un múltiple 2D curvado en el espacio 3D, solo parece ser un plano 2D plano a distancias mucho más cortas que el radio de la Tierra.

El universo sigue el mismo concepto en relatividad general. Vivimos en un espacio-tiempo 4D, que localmente parece plano. En el espacio-tiempo plano, la luz parece moverse en línea recta. Pero el espacio-tiempo puede curvarse por la presencia de materia que contiene energía e impulso. Entonces, cuando la luz se mueve en este espacio-tiempo curvo 4D, ahora parece estar ‘doblado’.

Si preguntas sobre fibra óptica:

La luz se dobla de la misma manera que los autos salen de la carretera cuando dos neumáticos chocan contra la tierra. El automóvil comienza a disminuir la velocidad por la arena o el barro, mientras que la parte que aún está en la carretera tiene una superficie lisa. Esto hace que el auto gire. Imagina que construirías una carretera al revés, es decir, una carretera en mal estado en el medio y bordes muy lisos. Entonces, cualquier automóvil zigzaguearía por ese centro.

Un evento similar ocurre en la playa. Las olas en el océano tienen una dirección. Sin embargo, más cerca de la orilla, la dirección cambia hasta que coincide exactamente con la orilla.

Y así es como la luz se dobla alrededor del centro de un cable de fibra óptica.

Si pregunta por el espacio: la luz no se dobla. El espacio se dobla. La luz va recta pero el espacio no lo es cerca de objetos pesados.

La flexión de la luz o la refracción ocurre cuando la luz pasa entre dos medios con diferentes índices de refracción. El cambio en los medios hace que la luz cambie la velocidad y la longitud de onda y, por lo tanto, la luz parece doblarse. El índice de refracción de un medio mide la rapidez con que la luz puede para atravesarlo. Cuando la luz encuentra un medio con un índice de refracción diferente, parece doblarse como resultado del cambio de velocidad.