Гравитация замедляется или скорость увеличивается?

Гравитация не влияет на скорость света. Он влияет на геометрию пространства-времени и, следовательно, на пути света. Тем не менее, это может иметь аналогичный эффект.

Свет, излучаемый источником$S$пройти мимо массивного объекта$M$это очень близко к другому (если бы M не было) прямому пути к наблюдателю$O$приходится "обходить"$M$, что занимает больше времени, чем движение по прямому пути в отсутствие$M$. Свет, который достигает$O$от$S$не испускается из$S$в «прямом» (при отсутствии$M$) направление на$O$, но немного в другом направлении, так что "изгиб" его пути под действием силы тяжести$M$«отклоняет» его на$O$.

Конечно, свет никогда не искривляется, а всегда следует прямым путем. Искривляется пространство-время по сравнению с евклидовым пространством-временем в отсутствие искажающих масс (см.: геодезическое ). Это искажение ткани пространства-времени называется гравитационным линзированием .

Как говорит Уолтер, гравитация не искажает свет. Свет распространяется по нулевым геодезическим, особому типу прямого пути. Поскольку (аффинные) геодезические по определению не меняют направления, геометрически легкие траектории прямые. Кроме того, скорость света в вакууме$c$в каждой инерциальной системе отсчета, независимо от того, искривлено пространство-время или нет, хотя инерциальные системы искривления пространства-времени могут быть только локальными.

Что может измениться, так это координатная скорость света. Поскольку координаты — это всего лишь метки для событий в пространстве-времени, это верно даже в абсолютно плоском пространстве-времени. Например, в координатной карте Риндлера метрика Минковского плоского пространства-времени принимает вид

$$\mathrm{d}s^2 = -\frac{g^2x^2}{c^2}\,\mathrm{d}t^2 + \underbrace{\mathrm{d}x^2 + \mathrm{d}y^2 + \mathrm{d}z^2}_{\mathrm{d}S^2_\text{Euclid}}\text{,}$$ куда $g$имеет единицы ускорения. Поскольку свет распространяется по нулю ( $\mathrm{d}s^2 = 0$) слов, координатная скорость света равна $$\frac{\mathrm{d}S}{\mathrm{d}t} = \frac{|gx|}{c}\text{,}$$ который зависит от положения и может даже быть $0$, так как существует очевидный горизонт событий. Наблюдатель, стационарный в координатах Риндлера, на самом деле имеет правильное ускорение. $g$, поэтому карта Риндлера плоского пространства-времени является естественным аналогом «однородного гравитационного поля».

если гравитация искривляет ход света, означает ли это, что гравитация задерживает свет, поэтому он движется с меньшей скоростью?

Нет, но вот что мы можем сказать. Для слабых, медленно меняющихся гравитационных полей следующая метрика подходит для описания пространства-времени в терминах ньютоновского гравитационного потенциала.$\Phi$:

$$\mathrm{d}s^2 = -\left(1+2\frac{\Phi}{c^2}\right)c^2\,\mathrm{d}t^2 + \left(1-2\frac{\Phi}{c^2}\right)\,\mathrm{d}S^2\text{,}$$ так как мы можем легко вычислить координатную скорость света (опять же $\mathrm{d}s^2 = 0$): $$\frac{\mathrm{d}S}{\mathrm{d}t} = c\sqrt{\frac{1+2\Phi/c^2}{1-2\Phi/c^2}}\text{,}$$ и, таким образом, разлагая его обратную зависимость в ряд Тейлора-Маклорена, мы обнаруживаем, что свет распространяется « как если бы » у нас был показатель преломления $$n = c \frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}S} \approx 1 - 2\frac{\Phi}{c^2} + \mathcal{O}\left(\frac{\Phi^2}{c^4}\right)\text{.}$$

Если иметь в виду, что мы имеем дело именно с координатной скоростью света, то да, можно сказать, что гравитация (точнее, гравитационный потенциал) задерживает свет. Другой способ думать об этом таков: если мы делаем вид, что имеем дело с обычным плоским пространством-временем Минвкоски в обычных инерциальных координатах, то нам нужна среда с указанным выше показателем преломления, чтобы воспроизвести траектории света. Но, конечно, воспринимать это буквально неправомерно, поскольку (1) метрика влияет не только на распространение света, и (2) такая интерпретация не сможет объяснить гравитационное красное смещение.

Последний подход морально похож на то, что описано в ответе Уолтера, поскольку он зависит от гипотетического сравнения с плоским пространством-временем. Разница в том, что, ограничившись разговором о том, что происходит вдали от гравитирующих тел, Уолтер может обойти вопрос о гравитационном красном смещении, но тогда не может приписать какой-либо локальный показатель преломления (с другой стороны, его подход не ограничивается слабым, медленно- изменение гравитации).

И если гравитация действительно влияет на скорость света, что это говорит о наших измерениях расстояния до самого дальнего наблюдаемого объекта? Можем ли мы предположить, что все гравитационные эффекты на расстоянии 15 миллиардов световых лет нивелируются?

Наши космологические модели предполагают , что Вселенная в большом масштабе однородна и изотропна, и это предположение подтверждается наблюдениями за ее частями, которые мы можем видеть. В однородной и изотропной Вселенной довольно легко объяснить, как ведет себя свет при ее прохождении. Так что нет, нам не нужно предполагать, что гравитационные эффекты компенсируют сами себя — напротив, мы используем такие гравитационные эффекты на свет, чтобы подогнать параметры наших моделей.

Это сложный вопрос, тем более, что я не привык давать объяснения в нетехнических терминах.

Начиная сверху:

Условно да. В самом пустом пространстве из возможных - не то, что между звездами, не то, что между галактиками, не то, что между семействами галактик и так далее... в самом пустом пространстве между сверхскоплениями галактик, там оно самое быстрое, где гравитация самая слабая.

Если бы у вас было время, чтобы сделать это, а также хорошую четкую мишень черной дыры и выстрелить синим лазером точно в горизонт событий с одной стороны (скажем, это передача всего произведения Шекспира, а затем и всего остального проекта Гутенберга) - в таким образом, что он пролетел весь круг, а затем вышел обратно в вашем направлении, как рогатка Луны на первом орбите Луны, что произойдет? Изменится ли цвет света?

Чем ближе луч подошел к горизонту событий, тем более растянуто пространство — подумайте об этом таким образом, тогда свет должен пройти дальше, и то же самое на всем пути вокруг черной дыры — чем ближе к горизонту событий, тем глубже колодец. , тем больше растянуто пространство и тем больше времени требуется свету, чтобы обойти его. С вашей точки зрения, черная дыра находится на расстоянии Х, а путь, по которому шел свет, имеет видимую длину Y. Используя свою удобную логарифмическую линейку, вы вычисляете, что «Укрощение строптивой» должно прибыть в момент времени Z.

Не появляется вовремя. Почему? Помните, что свет должен был пройти очень длинный путь из-за плотности гравитационного поля, которая удлиняла путь. Когда он, наконец, появится. Какого он цвета? Еще синий — это не зависит от того, удаляется черная дыра или приближается — красного или синего смещения нет. (Здесь я немного лукавлю, поскольку длина волны могла бы немного сместиться в красную сторону — она делает это, когда движется, и чем дальше, тем больше она смещается, отчасти из-за столкновений со свободно плавающими атомами, которые поглощают, а затем переизлучают с определенной скоростью. более низкая частота, например, Большой взрыв (Очень горячий) - свет от этого действительно имеет очень большую длину волны (красный цвет сдвинут до предела), но пространство расширяется, помните. Короче говоря, энтропию нельзя обратить вспять.

Странно то, что расстояние, которое проходит свет, с точки зрения наблюдателя, выстрелившего из лазера, он экстраполировал бы, что световые волны, содержащие Землеройку, поскольку они прибыли так поздно, должны были не только замедлиться, но и сблизиться (синий цвет). сместился) - но когда он возвращается к наблюдателю, он имеет тот же цвет, что и раньше. (Пространство явно удлинилось, это бы объяснило это, не так ли?)

Сказать, что гравитация замедляет свет, это то же самое, что сказать, что наблюдаемый чайник никогда не закипит: в этом есть доля правды с определенной точки зрения — точки зрения восприятия.

Глядя на всю вселенную, видны горячие точки и холодные точки, места с большим и меньшим количеством материи — это можно наблюдать. Проблема, с которой мы сталкиваемся в данный момент, связана с темной материей и темной энергией.

Мы начали с наблюдений в нашей Солнечной системе. Все удаленные объекты измеряются относительно друг друга. Большое количество наблюдений сделано за многими объектами, их светимостью, их совокупной светимостью, их красным или синим смещением - и, что интересно, их изменением в доплеровском смещении. Звезды различных типов, пульсирующие, звезды, испускающие жесткое излучение, звезды всех видов, находящиеся на одной орбите, аккреционные диски в центре галактик и их температуры. были собраны воедино, корректируясь по ходу дела с учетом меняющихся в мире сдвигов парадигмы, таких как теория относительности, и огромных успехов в разрешении наших наблюдений за Вселенной с наземных и космических платформ (мы думаем!