Как свет влияет на Вселенную?

Когда свет излучается, например, звездой, эта звезда теряет энергию, что приводит к уменьшению ее гравитации. Затем эта энергия начинает путешествие потенциально на миллиарды лет, пока не достигнет какого-то другого объекта.

Когда этот свет достигает поверхности, такой как другая звезда или галактика, он отдает эту энергию звезде назначения в виде тепла. Это заставляет приемник увеличивать свою энергию, что, в свою очередь, восстанавливает своего рода баланс. Это также заставляет приемник снова излучать немного больше света, почти как отражение.

Он также будет оказывать давление на принимающую поверхность, когда достигнет места назначения, будь то звезда, камень или что-то еще.

Но пока этот свет путешествует в пространстве, его энергия «недоступна» для остальной Вселенной. Естественно задам следующий вопрос:

Будет ли свет вызывать гравитацию, пока он движется?

Каждая звезда излучает свет во всех направлениях и в конечном итоге достигнет всех остальных звезд во Вселенной. В любой точке Вселенной должен быть непрерывный луч света, исходящий от каждой другой звезды во Вселенной, у которого есть прямой путь к этой точке. Учитывая, что все звезды на небе посылают фотоны, достигающие каждого квадратного сантиметра земной поверхности, суммарное давление должно быть довольно большим.

Действительно ли величиной давления можно пренебречь, учитывая, что каждый отдельный атом на любой поверхности получает свет от каждого источника света на небе?

На основании расчета, найденного на http://solar-center.stanford.edu/FAQ/Qshrink.html , Солнце в течение своей жизни излучает 0,034 % своей общей массы в виде энергии. Предполагая, что Солнце является средним и что во Вселенной около 10 ^ 24 звезд, и все эти звезды в среднем находятся на полпути своей жизни, должна быть распределена энергия, равная гравитации примерно 1,7 * 10 ^ 22 солнц. во всей вселенной.

Ответы (3)

Да, свет притягивает. Гравитационный заряд — это энергия. Что ж, гравитация — это сила со спином 2, так что у вас действительно есть импульс и напряжение, но они аналогичны обобщению электрического тока.

В общем, все, что вносит вклад в тензор энергии-импульса , будет иметь некоторый гравитационный эффект, и свет делает это, имея как плотность энергии, так и давление в направлении распространения.

Но пока этот свет путешествует в пространстве, его энергия «недоступна» для остальной Вселенной.

Не совсем. До сих пор тянет. Однако эпоха преобладания радиации наступила примерно через 50 000 лет после Большого взрыва, но она давно прошла. Сегодня гравитационный эффект излучения космологически пренебрежимо мал. Мы живем в переходный период между эпохами, в которых доминирует материя, и эпохами, в которых доминирует темная энергия.

Учитывая, что все звезды на небе посылают фотоны, достигающие каждого квадратного сантиметра земной поверхности, суммарное давление должно быть довольно большим.

Световое давление на любую поверхность пропорционально плотности падающей на нее световой энергии. Таким образом, мы можем проверить эту линию рассуждений непосредственно, заметив, что небо ночью темное.

Почему ночью темно, вероятно, заслуживает отдельного вопроса (см. также парадокс Ольберса ), но довольно ясно, что на самом деле она довольно мала. Справедливости ради, мы должны проверять больше, чем видимый диапазон, но даже в этом случае небо довольно темное. Таким образом, в среднем световое давление очень мало.

У нас есть привилегия находиться близко к звезде, но даже днем ​​световое давление Солнца составляет порядка микропаскалей.

... должна быть энергия, равная гравитации примерно 1,7 * 10 ^ 22 солнц, распределенных по всей вселенной.

И это мизерная сумма. Как вы только что сказали, это эквивалентно примерно 0,034% от общей массы звезд во Вселенной, которые, в свою очередь, составляют лишь часть материи во Вселенной. Так почему же вы удивляетесь, что его эффект ничтожен? Это буквально в тысячи раз меньше, чем погрешность измерения количества материи во Вселенной.

Старый вопрос, но я обращусь к тому, что не было поднято предыдущими ответами.

Фотоны ≃ Фотоны реликтового излучения (до первого порядка)

Как уже сказали другие: да, свет имеет энергию и, следовательно, притягивает. Однако основная масса фотонов, пронизывающих Вселенную, не имеет звездного происхождения, а на самом деле является космическим микроволновым фоном, плотность энергии которого на несколько порядков больше, чем у других фотонов, как видно на графике из этого ответа на " Численная плотность фотонов реликтового излучения» . Что касается плотности, то на 1 см приходится от 4 до 500 фотонов. 3 .

Космос большой и изотропный

Поскольку фотоны реликтового излучения распределены изотропно, очень малое радиационное давление одинаково во всех направлениях и, следовательно, уравновешивается. И хотя нас все время бомбардируют как фотоны реликтового излучения, так и звездные фотоны, пространство настолько ошеломляюще велико ( Д. Адамс, 1978 ), что, если принять во внимание случайный фотон во Вселенной, вероятность его столкновения с чем-либо вообще незначительно. Примерно 90% фотонов реликтового излучения путешествовали в течение 13,8 миллиардов лет, ни с чем не сталкиваясь; остальные 10% взаимодействовали со свободными электронами, которые высвобождались после реионизации, но не поглощались, а просто поляризовались, и, безусловно, большинство этих взаимодействий происходило вскоре после реионизации; к настоящему времени Вселенная просто слишком сильно расширилась.

Фотоны смещены в красную сторону

Хотя в фотонах есть энергия и, следовательно, они добавляют к гравитации, во-первых, они однородно распределены во Вселенной (и поэтому притягивают одинаково во всех направлениях), а во-вторых, плотность их энергии ничтожно мала по сравнению с барионами («нормальной материей» как газ, звезды и планеты), темная материя и темная энергия. На самом деле их относительная плотность { р б а р , р Д М , р Д Е , р п час о т } / р т о т а л знак равно { 0,05 , 0,27 , 0,68 , 10 − 4 } . Но так было не всегда. По мере расширения Вселенной и создания нового пространства плотность материи уменьшается по мере 1 / а 3 , куда а - масштабный фактор («размер») Вселенной. То же самое относится и к фотонам, но, кроме того, они смещаются в красную сторону пропорционально а , их плотность энергии уменьшается по мере 1 / а 4 . Это означает, что по мере того, как вы возвращаетесь назад во времени, относительный вклад фотонов в энергетический баланс увеличивается, и фактически до тех пор, пока Вселенной не исполнилось 47 000 лет, в ее динамике преобладало излучение.

Самым большим ага в вашем ответе было то, что фотоны смещены в красную сторону, что я не учел. Просто любопытно: что касается изотропного распределения фотонов, как вы можете быть в этом уверены?
@frodeborli: Если вы посмотрите на карту CMB, такую ​​как эта , вы увидите, что она изотропна одной части в ~ 1e5. Обратите внимание, что на карте, подобной этой, были удалены две важные изотропии : 1) поскольку мы находимся внутри Млечного Пути, есть дополнительный сигнал от источников в галактическом диске, и 2) потому что мы движемся в космосе с некоторой скоростью. При скорости 500 км/с (в сопутствующих координатах) реликтовое излучение слегка смещено в синее — и, следовательно, более энергичное — в направлении, в котором мы движемся, и, соответственно, смещено в красное в противоположном направлении.
Да, поэтому он оказывается изотропным в нашей области пространства. Но я не считаю это доказательством того, что фотоны изотропны в своем распределении в пространстве. Та очень далекая звезда, на которую вы смотрите , с нашей точки зрения, находится во вселенной, которой всего 47000 лет.
И мы видим эти далекие старые звезды во всех направлениях @frodeborli. Если у вас есть какая-то сложная теория, чтобы объяснить это, хорошо для вас, но бритва Оккама заставляет ученых предпочитать более простую теорию изотропного распределения.
@kubanczyk «Сделайте все как можно проще, но не проще». Независимо от этого; вы не можете заключить с уверенностью, что фотоны равномерно распределены по всему пространству, основываясь исключительно на том факте, что мы получаем их на этой крошечной планете в некоторой степени равномерно распределенными. Есть много фотонов, которые мы здесь никогда не получим, и вы не знаете, куда они направляются и сколько их. Возможно/вероятно, существуют триллионы сверхэнергетических гамма-всплесков, проносящихся сквозь космос, которых мы никогда не увидим; просто увидев их, земля стала бы бесплодной.
Наука не может ничего доказать . Наука может частично предсказывать будущий опыт людей, и она может совершенствоваться, предсказывая все более и более правильно. Любые дополнительные предположения (например, «сверхэнергетические гамма-всплески») настолько полезны, насколько позволяют делать дополнительные прогнозы относительно нашего будущего опыта. Высказывание «Я не знаю, есть ли монстр под кроватью, поэтому я не знаю, убьет ли он меня» просто не поможет мне достичь эволюционного преимущества, поэтому я не говорю этого: бритва Оккама. Только если у меня будет опыт прослушивания тяжелого дыхания под кроватью, я подумаю о «теории монстров».
@frodeborli: Заявление о том, что наблюдаемая изотропия реликтового излучения не подразумевает однородность, означало бы, что мы занимаем особое место во Вселенной. Эта мысль настолько ужасна, что вам действительно придется придумать надежную и фальсифицируемую теорию, чтобы оправдать это утверждение, чтобы вас восприняли всерьез. Изотропия, подразумевающая однородность, не является «чрезмерным упрощением вещей», это наиболее естественное ожидание. Но, конечно, это не доказательство, как и все в физике.
@pela Это не означает однородность. Я не понимаю, почему это даже предполагает однородность. Если вы нарисуете 10^100 бесконечно длинных и довольно тонких линий по всей Вселенной, шансы пересечения любой из этих линий с Землей все равно ничтожны. Вы не можете заключить, что, поскольку никто не направляет на вас фонарик, фонариков нет. И вы не можете видеть луч, исходящий от фонарика, если только он не направлен на вас.
@kubanczyk Я согласен, и я не стремился к тому, чтобы вы тоже утверждали, что наука что-то доказывает. Я просто не понимаю , как ученые могут считать логичным вывод о том, что из-за того, что мы видим изотропное фоновое излучение, все остальные должны видеть изотропное фоновое излучение, независимо от того, где они находятся. На самом деле, мы знаем, что объект, удаленный от нас на 10 миллиардов световых лет, прямо сейчас, когда мы на него смотрим, существует в более яркой/молодой Вселенной, и трудно определить, является ли она изотропной. в самой темной области вселенной, включая нас.
@frodeborli: кажется, я тебя не понимаю. Если Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях, то, если мы не находимся в особом месте, она должна быть одинаковой во всех направлениях, т.е. должна быть однородной. См., например , этот ответ о космологическом принципе . Кстати, если вы рисуете 10 100 линий в наблюдаемой Вселенной, каждый см 2 из вас и Земли, будут пересекаться 10 42 линии
Я не очень понимаю ваш пример с фонариками. Кажется, он описывает сценарий, в котором что-то не наблюдается. Если я не вижу, чтобы кто-то направил на меня фонарики с любого направления, я не могу сделать вывод, что нет людей, направляющих фонарики в разные стороны, но я могу сделать вывод, что их немного. Но в случае CMB мы видим 10 13 CMB проходит через каждый см 2 детектора каждую секунду, независимо от того, в каком направлении мы смотрим. Если мы не находимся в особом месте, другой наблюдатель в другой части Вселенной увидит то же самое.
@pela Спасибо за расчет. Сначала я хотел гораздо меньшее число (10 ^ 40), но немного осмелился. Я все еще удивлен. Интересно, как вы это вычисляете. Что касается однородности, из-за относительности - вселенная тем ярче, чем дальше вы смотрите, для объекта, на который вы смотрите , из-за того, что этот объект находится в более молодой вселенной. Объект, на который вы смотрите, будет иметь более сильные гравитационные силы, воздействующие на него. Плотность пустого пространства из-за излучения зависит от расстояния до наблюдателя.
@pela Другой наблюдатель в другом месте (на расстоянии 5 миллиардов световых лет) во Вселенной, вероятно, будет наблюдать ту же плотность, что и мы, через 5 миллиардов лет. Но в то время мы увидим более темную вселенную. Это должен быть градиент, он не может быть однородным. Кроме того, из-за необъятности Вселенной, если мы посмотрим на далекую звезду на расстоянии 13 миллиардов световых лет на юг, а затем посмотрим на север на расстоянии 13 миллиардов световых лет, эти две звезды окажутся очень близко друг к другу. Если посмотреть немного дальше, звезды на самом деле занимают одно и то же пространство, и это, очевидно, будет казаться однородным.
@frodeborli: оценка по порядку величины количества линий, пронизывающих см 2 - "линейный поток" Ф л я н е с — просто ваше количество строк Н , деленное на сечение Вселенной, т.е. Ф л я н е с ∼ Н / π р U н я 2 знак равно 10 100 / π ( 14,4 г п с ) 2 ∼ 10 42 с м − 2 . Но я не понимаю вашего утверждения "Вселенная выглядит тем ярче, чем дальше мы смотрим". Почему объект должен быть ярче из-за того, что Вселенная моложе? В любом случае, вы правы в том, что плотность излучения зависит от расстояния от нас, как обсуждалось выше.
Я думаю, может быть, я понимаю, что вы имеете в виду. Под "вселенная была ярче вдалеке" вы имеете в виду, что она была горячее? Не забывайте, что глядя вдаль, мы смотрим и в прошлое. Другой наблюдатель на расстоянии 5 Gly будет, как вы говорите, наблюдать то же, что и мы, но не через 5 Gyr. Он будет наблюдать то же самое прямо сейчас . Конечно, если мы посмотрим на этого наблюдателя прямо сейчас , мы увидим его таким, каким он был миллиарды лет назад (9,5 млрд лет назад, а не 5 млрд лет назад, как вы могли бы подумать, поскольку Вселенная расширяется). Чтобы увидеть, как он выглядит прямо сейчас, нам придется подождать каких-то 7 Gyr.
Градиент, о котором вы говорите, — это градиент во времени , а не в пространстве. Если бы вы прямо сейчас заморозили Вселенную и взлетели на космическом корабле, у вас было бы очень скучное путешествие; когда вы прибудете к галактикам, которые до вашего отъезда выглядели менее развитыми, вы обнаружите, что когда вы прибудете, они будут такими же развитыми, как Млечный Путь (статистически говоря, конечно).
@pela Этот градиент во времени означает, что вселенная ярче для удаленных объектов. Поскольку свет и гравитация распространялись в течение 10 миллиардов лет, прежде чем достигли нас, источник этого света находился в гораздо более яркой Вселенной. Поскольку одновременность относительна, этот объект в настоящее время находится в яркой вселенной, а мы в темной вселенной (и наоборот); таким образом яркость должна быть градиентом.
Поскольку большая часть того, на что мы смотрим на больших расстояниях, представляет собой очень «молодые объекты», существующие в гораздо меньшей/более плотной вселенной, я ожидаю, что мы увидим несколько однородную вселенную. Но это не значит, что если бы мы были в другом месте и пережили 13,7 миллиарда лет, то то, что мы видим там, будет таким же, как то, что мы видим здесь и сейчас. Что касается путешествия на космическом корабле; ваша история верна , если область космоса, в которую вы отправляетесь, так же плотна, как и наша область космоса. Если нет, то этот регион может быть старше или моложе нашего региона космоса.
Рискну повториться: если вы наблюдаете изотропную Вселенную и предполагаете, что мы не занимаем в ней особого места, то да, другой наблюдатель в другом месте видел бы точно так же, как и мы (по модулю статистики). Нет никакого способа обойти это. Это делает мою историю правдой: если вы заморозите Вселенную, то каждой ее части будет 13,8 млрд лет, и каждая часть, которую вы посещаете в этой заморозке, таким образом, будет выглядеть для вас одинаково, когда вы туда доберетесь (мод. статистика). Причина, по которой далекие галактики выглядят моложе, не в том, что они моложе прямо сейчас, а только в том, что свету потребовалось некоторое время, чтобы добраться сюда.
@pelo Я только что пересмотрел эту тему и вижу, что мы говорили мимо друг друга. Я понимаю ваши рассуждения, но я сосредоточился на другом способе размышления об относительности. Для меня слово СЕЙЧАС также содержит пространственные координаты. Если мы заморозим вселенную СЕЙЧАС, а затем отправимся к далекой звезде, то мы достигнем молодой звезды. Пункт назначения не будет стареть по мере того, как мы приближаемся к нему, если бы вселенная была заморожена, если смотреть с земли.
@frodeborli Хм… если я правильно вас понял, то это неправда. Если я наблюдаю галактику, которая находится на расстоянии 1 Глир, то то, что я вижу, является картиной возрастом 1 млрд лет, т.е. если бы я мог видеть часы, эти часы показывали бы, что Вселенной 12,8 млрд лет. Но это только потому, что свету понадобился 1 Гир, чтобы добраться до меня. На самом деле галактика старше, и если я заморозю пространство и отправлюсь туда, то, как только я туда доберусь, часы покажут «1 3,8 млрд лет».
@pela Естественно, но я говорю об относительности одновременности. Если в моем календаре указано, что сейчас 12 часов 13 января 2020 года, когда я вижу взрыв сверхновой звезды, то в моей системе отсчета эти два события происходят одновременно. Поэтому, когда я говорю, что «сейчас» эта далекая сверхновая находится в более молодой Вселенной, тогда это правильное мнение. Сказать, что это во Вселенной, которая так же стара, как наша, — недоказуемое предсказание, хотя я согласен с этим предсказанием.
@pela Строго говоря, вы не можете быть уверены, что часы покажут 13,8 млрд лет, когда вы приедете, потому что вы не можете знать относительную величину гравитационного замедления времени в этой области пространства по сравнению с нашей областью пространства. Прямо сейчас , по вашему мнению, вселенная не везде будет одного возраста.
@frodeborli Ну, если только часы, на которые я смотрю, не находятся в каком-то причудливом потенциальном колодце или не сидят на руке инопланетянина, который любит летать со скоростью 99% скорости света, я могу полностью игнорировать это. Я имею в виду сопутствующее время, но, конечно, вы всегда можете предположить какой-то сценарий, который делает мое утверждение неверным. Если это то, что вам нужно, то мы действительно говорим мимо друг друга.
И да, в физике все предсказания недоказуемы. Но если вы ставите под сомнение стандартную космологическую модель, то это совсем другое обсуждение.
@pela Точка; теперь означает сейчас в соответствии с одной конкретной системой отсчета. Я не люблю смешивать системы отсчета, когда говорю о физике. Поэтому, когда я говорю, что сверхновая произошла 400 лет назад, это абсолютно правильно, если только вы не усложняете ситуацию, выбирая другую систему отсчета. Когда я прямо сейчас говорю, что этот далекий звездный объект существует в более плотной и молодой Вселенной, я полагаю, что мы все согласны с тем, о какой системе отсчета мы говорим. Когда вы решили со мной не согласиться, это потому, что вы решили смешать кадры.
@frodeborli Хорошо, обычно в астрономии нам все равно, что сейчас происходит в какой-то галактике . Мы не знаем точно, как эволюционировала какая-то далекая галактика с тех пор, как она излучала свет, который мы видим, но мы знаем — в статистическом смысле — как эволюционировали она и другие столь же удаленные галактики. Мы действительно, возможно, сбивая с толку, говорим, что «галактика GN-z11 находится в среде, которая примерно в 1000 раз плотнее нашей локальной, текущей Вселенной», но даже если это звучит так, как мы имеем в виду «прямо сейчас», понятно, что в реальности, прямо сейчас он будет находиться в среде, похожей на нашу локальную Вселенную.
Итак, если мы все-таки употребляем термин «прямо сейчас», то имеем в виду по сопутствующему наблюдателю, который, за исключением малых пекулярных скоростей, является той же системой отсчета, в которой мы проводим наши наблюдения.

Свет вызывает гравитацию во время путешествия, и это ясное да, согласно знаменитой эквивалентности массы и энергии Эйнштейна . (Сравните это обсуждение на StackExchange .)

Гравитационное притяжение света незначительно по отношению к другой массе в больших масштабах. Лишь небольшая часть массы звезды превращается в свет за время ее жизни, и лишь небольшая часть обычного вещества когда-либо была звездой. Часть обычного (стандартные модельные частицы) вещества состоит из нейтрино (нейтрино и электроны — лептоны). Барионная материя состоит в основном из водорода и некоторого количества гелия (ядер), образовавшихся вскоре после Большого взрыва.

Небольшая часть массы звезды состоит из фотонов, вылетающих из звезды. Это путешествие может занять миллионы лет .

Воздействием света на астероиды можно пренебречь, но это не гравитационное притяжение. В основном это эффект YORP . На пыль также влияет свет.

Итак, несмотря на то, что большая часть света, который когда-либо излучался сотнями миллиардов галактик во Вселенной, все еще находится в движении, эффект пренебрежимо мал? В каждой отдельной координате во Вселенной фотон пересекает каждую излучающую свет звезду с прямым путем к ней. Количество света «в пути» также постоянно увеличивается, а это означает, что объединенная энергия всех других масс постоянно уменьшается до тех пор, пока эта масса не станет частью черной дыры. Как ученые могут быть уверены, что это ничтожно мало?
Примите среднюю фоновую температуру около 3 К; это средняя температура и, следовательно, общий баланс электромагнитного излучения. Рассмотрим среднее пространство у черного радиатора ( en.wikipedia.org/wiki/Planck%27s_law ). Взгляните на закон Стефана-Больцмана ( en.wikipedia.org/wiki/Stefan%E2%80%93Boltzmann_law ): энергия полного излучения пропорциональна 4-й степени температуры. Теперь вычислите массу на единицу объема, соответствующую этой энергии излучения, и сравните ее со средней плотностью локальной вселенной.
(извините за две опечатки выше «около 3K», «как черный радиатор»). Уменьшение массы не обязательно означает схождение к нулю, если только вы не предполагаете, что каждая частица в конечном итоге распадется на фотоны. По крайней мере, экспериментальных подтверждений этому предположению нет. Не вся масса должна заканчиваться черной дырой во вселенной с ускоренным расширением. Просто остывает.
@Gerald: Однако полезно помнить, что во времена, когда во Вселенной преобладала радиация, гравитационное притяжение света было очень важно.
Я не совсем уверен, говорим ли мы об одном и том же. Радиационное давление играло важную роль (см. en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressure ). Я не знаю о важной роли гравитационного притяжения света. Можете ли вы указать источник, который предоставляет доказательства?
Я не уверен, что понимаю вас, но количество «пустоты», содержащей только сумму движущихся фотонов, должно быть на много порядков больше, чем любая существующая масса. И я действительно предполагаю, что пока объект излучает свет, он теряет энергию и, таким образом, уменьшает собственную гравитацию.
Извините, я имел в виду, что объем пустоты должен быть на сотни порядков больше любого объема, населенного массой. Как это может быть незначительным в космическом масштабе?
Я думаю, что первое предложение точно наоборот, но в остальном в целом согласен с этим подходом.
Эффект крошечный по сравнению с бенчмаркингом света из-за гравитации. Более подробное обсуждение первого предложения смотрите здесь: physics.stackexchange.com/questions/6197/…
Я просто имею в виду, что масса оказывает гравитационное воздействие, потому что у нее есть энергия (и ее много), которая проявляется в Т 00 компонента тензора энергии-импульса. Вместо того, чтобы объяснять гравитацию, пытаясь объяснить гравитацию как эффект массы, что в любом случае неверно, следует вместо этого признать, что это энергия, которая создает гравитационный заряд аналогично, скажем, электрическому заряду.
Хорошо, теперь я понимаю, что вы имеете в виду. Вот и договорились.
Как свет влияет на Вселенную?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v