หากแสงไม่มีมวลทำไมมันได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง?


51

ความสว่างไม่ได้เร่งในสนามความโน้มถ่วงซึ่งสิ่งที่มีมวลจะทำเพราะแสงมีความเร็วคงที่ในระดับสากล เหตุใดจึงเป็นข้อยกเว้น


3
แสงนั้นได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงโดยทั่วไปนั่นเป็นสาเหตุที่ทำให้เลนส์มีความโน้มถ่วง ทำไมแรงดึงดูดจากหลุมดำถึงต่างกัน?
Barmar


8
เปลี่ยนชื่อจาก "หลุมดำ" เป็น "Gravity" ซึ่งทำให้ความคิดเห็นที่มีอยู่และคำตอบเกิดความสับสน
Grumpy พูดว่า Reinstate Monica

4
เยี่ยมมากตอนนี้มันเป็นเพียงคำตอบที่สับสน แรงโน้มถ่วงโค้งอวกาศ - เวลาสื่อผ่านที่แสงเดินทาง
Mazura

4
โฟตอนไม่มีมวลเหลือ - พวกเขาไม่เคยพักผ่อนทำเลย แต่โฟตอนที่มีอยู่แต่ละตัวมีมวลซึ่งเทียบเท่ากับพลังงาน (หรือ ) m=Ec2νc2
Peter - Reinstate Monica

คำตอบ:


49

อีกวิธีหนึ่งในการตอบคำถามนี้คือการใช้หลักการเทียบเท่าซึ่งไอน์สไตน์เรียกว่า "ความคิดที่มีความสุขที่สุด" ของเขา (เพื่อให้คุณรู้ว่ามันต้องดี) หลักการความเท่าเทียมบอกว่าถ้าคุณอยู่ในกล่องล้อมรอบในสิ่งที่นิวตันจะเรียกว่าสนามแรงโน้มถ่วงทุกอย่างที่เกิดขึ้นในกล่องนั้นจะต้องเหมือนกับถ้ากล่องไม่ได้อยู่ในสนามโน้มถ่วง แต่เร่งขึ้นไปแทน . ดังนั้นเมื่อคุณปล่อยลูกบอลคุณสามารถจินตนาการได้ว่าลูกบอลถูกเร่งด้วยแรงโน้มถ่วงหรือคุณสามารถจินตนาการได้ทุกอย่าง แต่ลูกบอลจะถูกเร่งขึ้นและลูกบอลก็ถูกทิ้งไว้ข้างหลัง ตรวจจับวัตถุทุกชิ้นรอบตัวคุณที่ไม่ได้อยู่บนลูกบอลได้อย่างง่ายดายรวมถึงความรู้สึกที่คุณได้รับจากด้านล่างของคุณทันที)

ตามกฎนั้นมันเป็นเรื่องง่ายที่จะเห็นว่าแสงจะได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงอย่างไร - เพียงแค่จินตนาการว่าส่องแสงเลเซอร์ในแนวนอน ในกรอบอ้างอิง "ทิ้งไว้ข้างหลัง" เราจะเห็นว่าจะเกิดอะไรขึ้น - ลำแสงจะเริ่มจากจุดที่สูงขึ้นและสูงขึ้นตามลำดับและการเพิ่มเอฟเฟกต์กำลังเร่ง เมื่อได้รับความเร็ว จำกัด ของแสงรูปร่างของลำแสงจะโค้งลงและลำแสงจะไม่ชนกับจุดบนผนังของกล่องตรงข้ามกับเลเซอร์ ดังนั้นสิ่งนี้จะต้องเป็นสิ่งที่รับรู้ได้จากภายในกล่อง - ลำแสงจะไม่ชนกับจุดตรงข้ามกับเลเซอร์ (เมื่อจุดนั้นกำลังสูงขึ้นจากนั้นจุดที่ผ่านจากจุดที่แสงถูกปล่อยออกมา) และเส้นทางของมัน ดูเหมือนจะโค้งลง เออร์โกแสง "ตก"

อันที่จริงนี่คือการทำให้เข้าใจง่ายของหลักการความเท่าเทียมกัน - คุณไม่จำเป็นต้องรู้ว่าสารคืออะไรสารทั้งหมด "ตกหล่น" เพราะมันไม่มีอะไรเกิดขึ้นกับสารเคมีมันเป็นเพียงผลของการถูก "ทิ้ง" อะไรก็ตามที่มีพลังและเร่งความเร็ว

อนึ่งมันเป็นเรื่องที่น่าสนใจที่จะทราบว่าแม้ในวัตถุแรงโน้มถ่วงของนิวตันวัตถุที่มีมวลมากก็จะ "ตกลงเหมือนกัน" กับวัตถุที่มีมวล แต่จะเห็นว่ามันต้องมีการ จำกัด เพียงแค่วางลูกบอลในสุญญากาศจากนั้นเป็นลูกบอลมวลที่ต่ำกว่าแล้วยังคงมวลที่ต่ำกว่า วัตถุทั้งหมดตกอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วงของนิวตัน ดังนั้นเพียงไปที่ขีด จำกัด ของมวลศูนย์คุณจะไม่เห็นความแตกต่างตามเส้นทางของขีด จำกัด นั้น อย่างไรก็ตามแรงโน้มถ่วงของนิวตันไม่ได้คำตอบที่ถูกต้องนักสำหรับวิถีของแสงที่มีแรงโน้มถ่วงเพราะฟิสิกส์ของนิวตันไม่สามารถรักษาความเร็วของแสงได้อย่างถูกต้อง


8
ทีนี้แรงโน้มถ่วงของนิวตัน แน่นอนจะเป็นศูนย์แรงเมื่อมวลเป็นศูนย์ F=Gm1m2r2
Carl Witthoft

10
@CarlWitthoft, F = maจะไปที่ศูนย์เช่นกันเมื่อมวลเป็นศูนย์ การใช้แรงเป็นศูนย์กับมวลเป็นศูนย์จะช่วยให้คุณเร่งความเร็วได้ตามต้องการ
มาร์ค

8
ฉันขาดคำตอบนี้ ... มันแค่อธิบายว่าแสงได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง (โดยวิธีการทดสอบความคิดไม่น้อยไปกว่านี้) OP ทราบดีอยู่แล้ว - เขาต้องการรู้ว่าทำไม (ซึ่งเป็นหนอนกระป๋องแน่นอน ... ) หลักการความเท่าเทียมกันไม่ใช่เหตุผลที่แสงทำตัวมันเป็นเพียงผู้ช่วยสอน ...
AnoE

6
@JohnDuffield โอเคความเห็นของฉันค่อนข้างจะพลิกผันเล็กน้อย แต่ในคำตอบที่ได้รับการยอมรับอย่างน้อยฉันก็อยากจะดูกาลอวกาศที่กล่าวถึง หรือพูดถึงว่าสิ่งที่ไม่มีมวลทั้งหมดจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงเสมอ อีกครั้ง EP เป็น "หลักการ" - เป็นการทดลองทางความคิดไม่ใช่เหตุผลทางกายภาพสำหรับแสงที่มีพฤติกรรม
AnoE

2
@AnoE - ฟิสิกส์ของนิวตันไม่มีคำตอบว่าทำไมแรงดึงดูดของโลกถึงเกิดขึ้นอย่างฉับพลันโดยแรงที่ได้สัดส่วนกับผลคูณของมวลหารด้วยสแควร์ของระยะทาง มันเป็นคำอธิบายเฉพาะกิจ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายว่า (และยังอธิบายว่าแบบจำลองของนิวตันตกสั้น) แต่มันไม่ได้อธิบายว่าทำไมความเร็วแสงเป็นค่าคงที่ (ในพื้นที่) และไม่อธิบายว่าอะไรทำให้โค้งเวลาอวกาศ กลศาสตร์ควอนตัมมีปัญหาที่คล้ายกันกับคำถาม "ทำไม" ฟิสิกส์ตอบคำถาม "อะไร" คำถาม "ทำไม" คือขอบเขตของอภิปรัชญาปรัชญาและศาสนา
David Hammen

31

มีสองวิธีที่เราจะสามารถตอบคำถามของคุณได้:

หลุมดำเป็นพื้นที่ของพื้นที่ที่มีรูปร่างผิดปกติจากมวลที่มีความเข้มข้นเพียงพอ คลื่นแสง / อนุภาคจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ ( ) เสมอ แม้ว่าโฟตอนที่เข้าใกล้หลุมดำจะยังคงเดินทางเป็นเส้นตรงผ่านอวกาศ แต่อวกาศเองก็โค้งดังนั้นเส้นทางของโฟตอนจะโค้งc

ในขณะที่โฟตอนไม่ได้เร่งความเร็วต่อหน้าแรงโน้มถ่วงที่ดีพวกเขาจะได้รับผลกระทบจากวิธีอื่น โดยเฉพาะโฟตอนที่เข้าสู่จุดศูนย์ถ่วงจะถูกเลื่อนเป็นสีน้ำเงินในขณะที่โฟตอนที่ปล่อยออกมานั้นจะถูกเลื่อนเป็นสีแดง การขยับสีแดง / น้ำเงินนี้เกิดขึ้นเพราะเวลาผ่านไปช้ากว่าภายในแรงโน้มถ่วงมากกว่าที่ไม่มี ในทุกกรอบของการอ้างอิงถึงแม้ว่าความเร็วของแสงจะคงที่ มีข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ในวิกิพีเดีย


หมายเหตุ: คำถามที่ถูกอ้างถึงเป็นพิเศษในหลุมดำ การถือครองด้านบนสำหรับความเข้มข้นของสสารใด ๆ (ซึ่งเป็นหลุมดำเป็นตัวอย่างที่รุนแรง)


อเล็กซ์ - ฉันลบ "หลุมดำ" ออกจากชื่อ - ในกรณีที่ผู้วิจารณ์คนอื่นบ่นเรื่องนั้น
Carl Witthoft

2
"ในทุกกรอบของการอ้างอิงถึงแม้ว่าความเร็วของแสงจะคงที่" เฟรมอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดอยู่ในเครื่องอยู่แล้ว
Shufflepants

1
การเพิ่มความคิดเห็นของ Shufflepants ความเร็วของแสงจะคงที่ภายในเครื่อง หากลำแสงที่เข้าใกล้หลุมดำถูกตรวจพบจากระยะไกลพอสมควรลำแสงนั้นจะชะลอตัวลงเนื่องจากเวลาจะผ่านไปช้ากว่าในจุดศูนย์ถ่วงรอบหลุมดำ
rcgldr

@rcgldr, Shufflepants ค่อนข้างจริง ฉันทำให้มันง่ายขึ้นเล็กน้อย สิ่งต่าง ๆ มักจะยุ่งเหยิงเล็กน้อยเมื่อมีบ่อแรงโน้มถ่วงลึก
Alex Hajnal

โฟตอนเดินทางเป็นเส้นตรงผ่านกาลเวลาอวกาศไม่ใช่ที่ว่าง
Rob Jeffries

3

TL; DR Light ได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงเนื่องจากมันเคลื่อนที่ตามตารางเวลาอวกาศและความโค้งของมันซึ่งเป็นแรงโน้มถ่วง สิ่งนี้มองเห็นได้ชัดเจนในหลุมดำalso: Einstein > Newton

หลุมดำเป็นสีดำเพราะไม่มีแสงที่ข้าม "Event Horizon" สามารถหลบหนีได้อีกครั้ง มวลก้ม "กริด" ของกาลอวกาศ แสง - การพูด 2 มิติ - เดินทางไปตามพื้นของตารางเวลาอวกาศและตามความโค้งของมันนั่นคือมันจะลงกรวยที่สร้างขึ้นโดยการปรากฏตัวของมวลและเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่สั้นที่สุดอีกครั้ง ทำให้การเดินทางของแสงใช้เวลานานขึ้น ตอนนี้สำหรับสิ่งที่หลุมดำนั้นสุดขั้ว: หลุมดำก่อตัวขึ้นเมื่อสสารจำนวนมากถูกยัดเข้าไปในพื้นที่ที่มีขนาดเล็กกว่า Schwarzschild Radius Schwarzschild Radiusของวัตถุที่เป็นตัวเอกถูกกำหนดโดยมวลของมันเท่านั้น มวลใดก็ตามที่มีค่าเดนิสสูงพอจะกลายเป็นหลุมดำ:

R s = 2 * G / 2 ค
ว๊ารัศมี 2* the gravitational constant / 2 * the speed of light=
คูณกับMมวลของวัตถุในกก. และคุณมีR sสำหรับมวลว่า

เพื่อที่จะเข้าใจว่าหลุมดำนั้นโค้งงอพื้นที่มากจนไม่ยอมหนีแสงไปได้อย่างไรเราต้องดูเพียงส่วนเล็ก ๆ ของสมการชวาร์สชิลด์

ในการวาดภาพเพื่อทำความเข้าใจกับหลุมดำเราต้องการเพียงแค่ส่วนตรงกลางนี้:
1) สมการของ Schwarzschild Radius rs / r2) สมการของ Schwarzschild Radius rs / rs3) สมการของ Schwarzschild Radius 1/14) เราได้กำหนดr sให้เป็น Schwarzschild Radius ของวัตถุใดวัตถุหนึ่งrคือรัศมีของวัตถุที่เป็นตัวเอก เมื่ออาร์กลายเป็นขนาดเล็กเป็นR sคุณจะได้รับเอกพจน์1และแปลกสิ่งที่เริ่มเกิดขึ้นที่สำคัญที่สุดคือคำถามตรวจการณ์ที่โค้งพื้นที่เวลาที่หลุมดำจะกลายเป็นอนันต์ (!)Schwarzschild Radius สมการ 0, เอกพจน์, การลงโทษ
ซึ่งหมายความว่าแสงใด ๆ ที่ตัดเส้นขอบฟ้าเหตุการณ์ ณ จุดใดก็ตามจะใช้เวลาไม่ จำกัด ในการเดินทางข้ามช่องทางของหลุมดำ แม้ในมุมญาติแบนมากไปยังขอบฟ้าเหตุการณ์ที่เพียงแค่เคยดังนั้นเล็กน้อย poking มันก็จะหายไปเพราะการตั้งทฤษฎีสอนเรา: ใดส่วนหนึ่งของอินฟินิตี้ยังเป็นอนันต์

นี่คือ visalisiations พิเศษ:
กรวยอวกาศกาลเวลาของโลก:

ช่องทางเวลาแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ:


1) ภาวะเอกฐาน: ภาวะเอกฐานเป็นเงื่อนไขในแคลคูลัส / พีชคณิตเพียงเมื่อคุณหารด้วยศูนย์ (ซึ่งคุณจะไม่ทำ!) ภาวะเอกฐานสองมิติอาจมีลักษณะเช่นนี้: f(x) = 1/x(เอกพจน์มีตรงกลางที่ x = 0)

ภาวะเอกฐานสามมิติสามารถมีลักษณะเช่นนี้ / \, ภาวะเอกฐานที่ x = 1 (นี่คือฟังก์ชันซีตาของ Riemanns)


0

การเร่งความเร็วไม่เกี่ยวข้องที่นี่ แรงโน้มถ่วงที่ดีใด ๆ ที่มีความเร็วในการหลบหนีที่แน่นอน อนุภาคเร็วขึ้นแล้วความเร็วจะหนีออกมาได้ดี คำจำกัดความของหลุมดำคือหลุมแรงโน้มถ่วง (หลุม) ซึ่งความเร็วการหลบหนีสูงกว่า 'c' ความเร็วของอนุภาคแสงดังนั้นตามนิยามแล้วแสงไม่สามารถหลบหนีออกจากหลุมทำให้มันเป็น 'ดำ'


2
ฉันไม่คิดว่านั่นคือสิ่งที่ OP ขอมา - เพิ่มเติมตามแนวของ "ทำไมเลนส์ความโน้มถ่วง?"
Carl Witthoft

คำถามปัจจุบันไม่คล้ายกับคำถามที่ถามมา แต่เดิม
พอลสมิ ธ

-6

หากแสงไม่มีมวลทำไมมันได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง?

เนื่องจากแสงมีลักษณะเป็นคลื่นและสนามแรงโน้มถ่วงเป็นสถานที่ซึ่งความเร็วแสงแตกต่างกันไป ดังนั้นแสงโค้งลง มันค่อนข้างเหมือนคลื่นโซนาร์ที่มีแนวโน้มที่จะโค้งลงในทะเล:

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

ภาพจาก FAS และกองทัพเรือสหรัฐฯดูหลักสูตร ES310 บทที่ 20

แสงไม่ได้เร่งความเร่งซึ่งสิ่งต่าง ๆ ที่มีมวลจะทำเพราะแสงมีความเร็วคงที่ในระดับสากล เหตุใดจึงเป็นข้อยกเว้น

ไม่ถูกต้องฉันกลัว ดูสิ่งที่ Einstein พูดว่า:

1912 :“ ในอีกมุมหนึ่งฉันเห็นว่าหลักการของความคงตัวของความเร็วของแสงสามารถคงอยู่ได้ตราบเท่าที่หนึ่ง จำกัด ตัวเองไปยังพื้นที่ spatio- ชั่วคราวของศักยภาพแรงโน้มถ่วงคงที่”

1913 :“ ฉันมาถึงผลลัพธ์ที่ความเร็วของแสงไม่ได้รับการพิจารณาว่าเป็นอิสระจากศักยภาพความโน้มถ่วง ดังนั้นหลักการของความคงตัวของความเร็วของแสงจึงไม่สอดคล้องกับสมมติฐานที่เท่าเทียมกัน”

1914 :“ ในกรณีที่เราวางหลักสัมพัทธ์ของความคงตัวของความเร็วของแสงมีอยู่ก่อนแล้วไม่มีระบบพิกัดที่ได้รับการยกเว้น”

1915 :“ ผู้เขียนบรรทัดเหล่านี้มีความเห็นว่าทฤษฏีสัมพัทธภาพยังต้องการความเห็นทั่วไปในแง่ที่ว่าหลักการของความคงตัวของความเร็วของแสงจะถูกยกเลิก”

2459 : "ในสถานที่ที่สองผลของเราแสดงให้เห็นว่าตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกฎของความคงตัวของความเร็วของแสงในแวคูโอะซึ่งประกอบด้วยหนึ่งในสองสมมติฐานพื้นฐานในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและที่ เราได้อ้างถึงบ่อยครั้งไม่สามารถเรียกร้องความถูกต้องไม่ จำกัด "

2463 :“ ประการที่สองสิ่งนี้แสดงให้เห็นว่ากฎแห่งความคงตัวของความเร็วแสงไม่ได้ยึดตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอีกต่อไปในพื้นที่ที่มีสนามโน้มถ่วง จากการพิจารณาทางเรขาคณิตที่เรียบง่ายแสดงให้เห็นว่าความโค้งของรังสีแสงเกิดขึ้นเฉพาะในพื้นที่ซึ่งความเร็วของแสงแปรแปรเชิงปริภูมิ”

ไอน์สไตนอกจากนี้ยังพูดถึง “การหักเหของแสงโดยสนามแรงโน้มถ่วง” นิวตันทำเช่นนั้นดูแบบสอบถามของOpticks 20: “ ไม่ใช่สื่อ aethereal นี้ในการผ่านน้ำ, แก้ว, คริสตัล, และวัตถุที่มีขนาดกะทัดรัดและหนาแน่นอื่น ๆ ในพื้นที่ว่างเปล่า, เพิ่มความหนาแน่นและหนาแน่นโดยองศาและนั่นหมายความว่าหักเหรังสีของ แสงไม่ได้อยู่ในจุด แต่โดยการดัดพวกมันทีละน้อยในเส้นโค้ง?”มันคือการหักเหจริง ๆ และเลนส์ความโน้มถ่วงเป็นวลีที่เหมาะสม ดูหมวด GR ของความเร็วแสงทุกที่เหมือนกันหรือไม่ มันเป็นบทความ PhysicsFAQ โดยบรรณาธิการ Don Koks เขาพูดเกี่ยวกับไอน์สไตน์และการหักเหและกล่าวว่า:"ความเร็วแสงสูงขึ้นเมื่อขึ้นจากพื้นจรดเพดานและช้าลงเมื่อลงมาจากเพดานจรดพื้นมันไม่เหมือนกับลูกบอลที่เคลื่อนที่ช้าลงเมื่อเดินขึ้นและลงเร็วกว่า" ไม่น่าสนใจใช่ไหม

ผู้คนมากมายจะบอกคุณว่าแสงโค้ง"เพราะมันตามหลังความโค้งของกาลอวกาศ"แต่นั่นก็ไม่ถูกต้องเช่นกัน ความโค้งของกาลอวกาศมีความสัมพันธ์กับแรงคลื่นไม่ใช่แรงโน้มถ่วง ดูบทความ "นักสืบฟิสิกส์" ของฉันเกี่ยวกับความเร็วของแสงและแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไรสำหรับรายละเอียดและข้อมูลอ้างอิง


ผู้ลงคะแนนเสียงอยากอธิบายว่าทำไมพวกเขาคิดว่า Einstein, Newton และ Koks ผิดทั้งหมดหรือไม่
John Duffield

7
ที่สำคัญกว่านี้ผู้ดูแลผู้มีอำนาจจะอธิบายให้ทราบว่า คำตอบนี้ดีที่สุดที่น่ากลัว
David Hammen

@ David Hammen: มันไม่ได้เป็นขอบ Einstein ไม่ผิดและไม่มีคำตอบนี้ ยังเห็นศาสตราจารย์เน็ดไรท์โก่งและความล่าช้าของแสง : "ในความเป็นจริงความล่าช้าที่มีประสบการณ์โดยแสงผ่านวัตถุขนาดใหญ่เป็นผู้รับผิดชอบสำหรับการโก่งตัวของแสง"
John Duffield

1
คุณมักจะสับสนความเร็วในการประสานของแสงซึ่งเป็นเพียงเครื่องมือคำนวณ แต่มักได้รับการยกย่องว่าขึ้นอยู่กับตำแหน่งในสนามโน้มถ่วงกับสิ่งที่ผู้สังเกตการณ์คนใดจะวัดความเร็วแสงโดยใช้ไม้บรรทัดและนาฬิกาท้องถิ่น ตัวอย่างเช่นในลิงก์ของคุณคุณบอกว่า "ไม่มีเวลาไหลเข้ามาในนาฬิกาแสงดังนั้นความสูงในบางตำแหน่งบนเนื้อเรื่องแสดงความเร็วที่แท้จริงของแสง ณ ตำแหน่งนั้น" แต่สิ่งเดียวที่นักฟิสิกส์สามารถหมายถึง " ความเร็วจริงของแสง "เป็นการวัด ระบบพิกัด nonunique เกี่ยวข้องกับปริมาณที่ไม่ซ้ำ
Ken G

2
คุณสามารถใช้คำพูดอะไรก็ได้ที่คุณชอบความจริงก็คือผู้สังเกตการณ์ในพื้นที่ทั้งหมดจะทำการวัดค่า c เดียวกันเสมอ รุ่นอื่น ๆ ของ "ความเร็วแสง" คือการกระจายของพิกัดที่เลือก ภาษาพิกัดไม่ผิดปกติ - เราพูดว่า "เวลาช้าลงในความโน้มถ่วง" ฯลฯ - แต่นั่นก็เป็นเพียงการเปรียบเทียบพิกัด ไม่มีผู้สังเกตการณ์ประสบการณ์ที่ชะลอเวลา - ตลอดกาล ไม่ใช่ค่าคงที่
Ken G
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.