Wenn Licht keine Masse hat, warum wird es dann von der Schwerkraft beeinflusst?

In einem Gravitationsfeld beschleunigt sich das Licht nicht, was Dinge mit Masse tun würden, weil das Licht eine universell konstante Geschwindigkeit hat. Warum ist das eine Ausnahme?

Eine andere Möglichkeit, diese Frage zu beantworten, ist die Anwendung des Äquivalenzprinzips, das Einstein seinen "glücklichsten Gedanken" nannte (Sie wissen also, dass es gut sein muss). Das Äquivalenzprinzip besagt, dass, wenn Sie sich in einer geschlossenen Box befinden und Newton ein Gravitationsfeld nennen würde, alles, was in dieser Box passiert, dasselbe sein muss, als ob sich die Box nicht in einem Gravitationsfeld befindet, sondern aufwärts beschleunigt . Wenn Sie also einen Ball loslassen, können Sie sich vorstellen, dass der Ball durch die Schwerkraft nach unten beschleunigt wird, oder Sie können sich alles vorstellen, außer, dass der Ball nach oben beschleunigt wird und der Ball einfach zurückgelassen wird (was ironischerweise besser mit den Belastungen abschneidet, die Sie können) leicht an jedem Objekt um Sie herum zu erkennen, das nicht auf dem Ball vorhanden ist, einschließlich des Gefühls, das Sie gerade von Ihrem Boden erhalten.

Anhand dieser Regel ist leicht zu erkennen, wie sich die Schwerkraft auf das Licht auswirkt. Stellen Sie sich einfach vor, Sie würden einen Laser horizontal ausrichten. Im Referenzrahmen "links hinten" sehen wir, was passieren würde - der Strahl würde von einem sequentiell höheren und höheren Punkt ausgehen, und dieser Anhebungseffekt beschleunigt sich. Angesichts der endlichen Lichtgeschwindigkeit scheint sich die Form des Strahls nach unten zu krümmen, und der Strahl würde nicht auf den Punkt an der Wand der Box treffen, der dem Laser direkt gegenüberliegt. Daher muss dies auch das sein, was im Inneren der Box wahrgenommen wird - der Strahl trifft nicht auf den Punkt direkt gegenüber dem Laser (da dieser Punkt höher wird als der Punkt gegenüber, an dem das Licht emittiert wurde) und auf dessen Weg scheint sich nach unten zu krümmen. Ergo "fällt" Licht.

Dies ist in der Tat die entscheidende Vereinfachung des Äquivalenzprinzips - Sie müssen nie wissen, was der Stoff ist, alle Stoffe "fallen gleich", weil nichts mit dem Stoff passiert, sondern nur die Konsequenzen des "Zurücklassens" durch was auch immer tatsächlich Kräfte hat und tatsächlich beschleunigt.

Übrigens ist es interessant zu bemerken, dass selbst in der Newtonschen Schwerkraft masselose Objekte "gleich" fallen würden wie solche mit Masse, aber zu sehen, dass es erforderlich ist, eine Grenze zu setzen. Lassen Sie einfach eine Kugel in ein Vakuum fallen, dann eine Kugel mit niedrigerer Masse und dann eine Masse mit niedrigerer Stille. Unter der Newtonschen Schwerkraft fallen alle Objekte gleich. Fahren Sie einfach mit der Grenze der Masse Null fort. Auf dem Weg dieser Grenze werden Sie keinen Unterschied feststellen. Dennoch kann die Newtonsche Gravitation die Antwort für die Flugbahn des Lichts in der Gravitation nicht ganz richtig darstellen, da die Newtonsche Physik die Lichtgeschwindigkeit nicht richtig behandelt.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Sie sich Ihrer Frage nähern können:

Schwarze Löcher sind Regionen des Weltraums, die durch eine ausreichend konzentrierte Masse deformiert wurden. Lichtwellen / Partikel bewegen sich immer geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit ( ). Obwohl ein Photon, das sich einem Schwarzen Loch nähert, in einer geraden Linie durch den Raum wandert, hat sich der Raum selbst gekrümmt, so dass sich der Weg des Photons krümmt.$c$

Während Photonen in Gegenwart eines Gravitationsfeldes nicht schneller werden, werden sie auf andere Weise davon beeinflusst. Insbesondere sind Photonen, die in eine Schwerkraftwanne eintreten, blau verschoben, während Photonen, die eine Schwerkraftwanne verlassen, rot verschoben sind. Diese Rot / Blau-Verschiebung geschieht, weil die Zeit in einem Gravitationsraum langsamer vergeht als ohne. In allen Bezugssystemen bleibt die Lichtgeschwindigkeit jedoch konstant. Es gibt mehr Infos dazu im Wiki .

^{Hinweis: Die Frage bezog sich ursprünglich speziell auf Schwarze Löcher. Das obige gilt für jede Konzentration von Materie (von der Schwarze Löcher ein extremes Beispiel sind).}

TL; DR Licht wird durch die Schwerkraft beeinflusst, da es sich entlang des Raum-Zeit-Gitters und seiner Krümmung bewegt, die die Schwerkraft ist. Dies wird in schwarzen Löchern sehr gut sichtbar.also: Einstein > Newton

Schwarze Löcher sind schwarz, weil kein Licht, das den "Ereignishorizont" überschreitet, jemals wieder entweichen kann. Masse verbiegt das "Gitter" der Raumzeit. Licht bewegt sich - zweidimensional gesprochen - entlang des Bodens des Raum-Zeit-Gitters und folgt seiner Krümmung, dh es geht einen durch die Anwesenheit von Masse erzeugten Kegel hinunter und bewegt sich auf dem kürzesten Weg wieder nach außen. Dadurch dauert die Reise des Lichts länger . Für ein Schwarzes Loch sind die Dinge extremer: Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn eine Menge Materie in einen Raum gestaut wird, der kleiner oder gleich dem Schwarzschild-Radius ist. Der Schwarzschild-Radius eines jeden Sternobjekts wird allein durch seine Masse bestimmt. Jede Masse mit einer ausreichend hohen Denistie wird zu einem Schwarzen Loch:

r _s = 2 * G / 2 c
Schwarzschildradius = 2* the gravitational constant / 2 * the speed of light.
Multiplizieren Sie das mit Mder Masse eines Objekts in kg und Sie erhalten das r _s für diese Masse.

Um jedoch zu verstehen, wie schwarze Löcher den Raum so stark krümmen, dass kein Licht entweicht, müssen wir nur einen kleinen Teil der Schwarzschild-Gleichung betrachten.

Um ein Bild zum Verständnis von Schwarzen Löchern zu zeichnen, benötigen wir nur diesen mittleren Abschnitt:
1) 2) 3) 4) Wir haben r _{s bereits} als den Schwarzschild-Radius eines bestimmten Objekts festgelegt, r ist der Radius des stellaren Objekts. Wenn r so klein wie wird r _s Sie eine Singularität erhalten ¹ und seltsame Dinge beginnt geschieht vor allem auf Frage OPs, die Raum-Zeit - Krümmung auf dem schwarzen Loch wird unendlich (!)
Dies bedeutet, dass jedes Licht, das den Ereignishorizont an einem beliebigen Punkt schneidet, unendlich viel Zeit benötigt , um über den Trichter der Schwarzen Löcher zu wandern. Sogar in einem sehr flachen Winkel relativ zum Ereignishorizont, in dem es nur so leicht stößt, geht es verloren, weil uns die Mengenlehre lehrt: Jede Teilmenge der Unendlichkeit ist auch unendlich.

Hier sind einige zusätzliche Visualisierungen:
Schwerkraft-Raum-Zeit-Kegel der Erde:

Schwerkraft-Raum-Zeit-Trichter eines Schwarzen Lochs:

1) Singularität: Eine Singularität ist im Grunde genommen in Bezug auf Analysis / Algebra genau dann, wenn Sie durch Null dividieren (was Sie niemals tun sollten!). Eine 2D-Singularität könnte wie f(x) = 1/xfolgt aussehen: (Die Singularität befindet sich bei x = 0 in der Mitte.)

Eine 3D-Singularität kann wie folgt aussehen / \, Singularität bei x = 1 (dies ist Riemanns Zeta-Funktion).

Beschleunigung ist hier nicht relevant. Jeder Schwerkraftschacht hat eine definierbare Fluchtgeschwindigkeit. Teilchen, die schneller als diese Geschwindigkeit sind, entweichen aus dem Bohrloch, Teilchen, die langsamer sind, nicht. Die eigentliche Definition eines Schwarzen Lochs ist eine Schwerkraftbohrung (Loch), bei der die Austrittsgeschwindigkeit "c" die Geschwindigkeit der Lichtteilchen überschreitet, sodass Licht per Definition nicht aus dem Loch austreten kann und es "schwarz" wird.

Wenn Licht keine Masse hat, warum wird es dann von der Schwerkraft beeinflusst?

Weil Licht eine Wellennatur hat und ein Gravitationsfeld ein Ort ist, an dem die Lichtgeschwindigkeit variiert. Licht krümmt sich also nach unten. Es ist eher so, wie sich Sonarwellen im Meer nach unten krümmen:

^{Bild von FAS und der US Navy, siehe Kurs ES310, Kapitel 20}

Licht beschleunigt seine Beschleunigung nicht, wie es mit der Masse möglich wäre, da Licht eine universell konstante Geschwindigkeit hat. Warum ist das eine Ausnahme?

Das stimmt leider nicht. Sehen Sie, was Einstein sagte:

1912 : „Andererseits bin ich der Ansicht, dass das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit nur insoweit aufrechterhalten werden kann, als man sich auf räumlich-zeitliche Bereiche konstanten Gravitationspotentials beschränkt“.

1913 : „Ich bin zu dem Ergebnis gekommen, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht als unabhängig vom Gravitationspotential anzusehen ist. Daher ist das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit nicht mit der Äquivalenzhypothese vereinbar “.

1914 : "Wenn wir das Postulat der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit fallen lassen, gibt es a priori keine privilegierten Koordinatensysteme."

1915 : "Der Verfasser dieser Zeilen ist der Meinung, dass die Relativitätstheorie noch einer Verallgemeinerung bedarf, in dem Sinne, dass das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit aufgegeben werden soll".

1916 : „Zweitens zeigt unser Ergebnis, dass nach der allgemeinen Relativitätstheorie das Gesetz der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine der beiden Grundannahmen der speziellen Relativitätstheorie darstellt und zu welcher wir haben schon öfter darauf hingewiesen, können keine unbefristete Geltung beanspruchen “.

1920 : „Zweitens zeigt diese Konsequenz, dass das Gesetz der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit nach der allgemeinen Relativitätstheorie in Räumen mit Gravitationsfeldern nicht mehr gilt. Wie eine einfache geometrische Überlegung zeigt, tritt die Krümmung von Lichtstrahlen nur in Räumen auf, in denen die Lichtgeschwindigkeit räumlich variabel ist. “

Einstein sprach auch von „der Brechung von Lichtstrahlen durch das Gravitationsfeld“ . Wie Newton, siehe Opticks Frage 20: „Bewegt sich dieses ätherische Medium nicht aus Wasser, Glas, Kristall und anderen kompakten und dichten Körpern in leeren Räumen heraus, wird es immer dichter und bricht auf diese Weise die Strahlen von Licht nicht in einem Punkt, sondern durch allmähliches Biegen in Kurvenlinien? “ Es ist wirklich eine Brechung, und die Gravitationslinse ist eine angemessene Formulierung. Siehe auch den Abschnitt GR von Ist die Lichtgeschwindigkeit überall gleich? Es ist ein PhysicsFAQ-Artikel des Herausgebers Don Koks. Er spricht über Einstein und Brechung und sagt dies:"Licht wird schneller, wenn es vom Boden zur Decke aufsteigt, und langsamer, wenn es von der Decke zum Boden abfällt. Es ist nicht wie eine Kugel, die auf dem Weg nach oben langsamer und auf dem Weg nach unten schneller wird." Ist das nicht interessant

Viele Leute werden Ihnen sagen, dass Lichtkurven "weil sie der Krümmung der Raumzeit folgen" , aber das ist auch nicht richtig. Die Raumzeitkrümmung ist mit der Gezeitenkraft verbunden, nicht mit der Schwerkraft. Weitere Informationen und Hinweise finden Sie in meinen Artikeln zum Thema "Physikdetektiv" zur Lichtgeschwindigkeit und zur Funktionsweise der Schwerkraft .