Гравитация заставляет все, что обладает энергией, ускоряться к источнику. Черные дыры, например, обладают такой сильной гравитацией, что притягивают свет и не дают ему уйти. Но может ли ускорение по-прежнему применяться к свету? Скорость света, конечно, постоянна, но почему фотоны подвержены влиянию гравитации, но не ускоряются ею?
Редактировать: мой главный вопрос заключается в том, почему фотоны не подвержены влиянию так же, как большинство других частиц. Я прекрасно понимаю, что она не может превзойти скорость света, но я хочу знать, что делает ее не подверженной влиянию ускорения, в то время как другие частицы подвержены влиянию.
Фотоны смещаются в синий цвет, когда их притягивает гравитация (я имею в виду - движутся к массе, а не под прямым углом к гравитационному полю, как по орбите). Они не могут двигаться быстрее, но их энергия возрастает.
Вы не чувствуете ускорение. Находясь на борту МКС, вы ускоряетесь к земле (вниз) за счет гравитации: иначе вы бы просто улетели от планеты. Поскольку вы и МКС ускоряетесь одинаково, вы ничего не чувствуете. Вы не чувствуете силу, если она ускоряет вас: вы чувствуете давление, вызванное противоположными силами. Здесь, на земле, я чувствую пол под ногами, сопротивляющийся моему обычному гравитационному ускорению.
Если вы запустите двигатель на МКС, тогда МКС начнет ускоряться не так, как вы, и в конце концов одна из стен столкнется с вами. Тогда вы почувствуете, как эта стена мешает вашему собственному гравитационному ускорению, и почувствуете что-то вроде веса.
Свет испытывает ускорение из-за гравитации: для этого поищите «гравитационное линзирование». Чтобы понять, как свет может ускоряться с постоянной скоростью, вы должны понять разницу между скоростью и скоростью и что на самом деле означает ускорение.
Скорость — это «скаляр», просто число без направления. Если вы едете со скоростью 30 км/ч, это ваша скорость.
Скорость — это «вектор», число с направлением. Движение со скоростью 30 км/ч на север сильно отличается от движения со скоростью 30 км/ч на юг: ясно, что вы окажетесь в разных местах независимо от вашей скорости.
Ускорение - это не изменение скорости, это изменение скорости. Подумайте о машине. Обычно есть три способа ускорить автомобиль. Чтобы увеличить скорость (скалярную), нажмите на педаль акселератора, и вы почувствуете, как спинка сиденья вдавливается в вас сильнее, поскольку она ускоряет вас вместе с автомобилем. Чтобы уменьшить скорость (скалярную), нажмите на тормоз, и вы почувствуете, как ремни безопасности ускоряют вас вместе с автомобилем.
Но что происходит, когда вы поворачиваетесь? Ваша скорость остается примерно такой же (точно такой же, если вы достаточно опытны), но вы меняете направление. Ваши 30 км/ч на север становятся 30 км/ч на запад, а изменение направления — это ускорение. В зависимости от того, сконструирован ли ваш автомобиль для правостороннего или левостороннего движения, вы будете склонны толкаться либо к двери, либо к коленям пассажира. Это все еще ускорение.
Если фотон проходит мимо чего-то тяжелого, он будет ускоряться по направлению к этому объекту, изменяя свой курс, но не скорость. Если фотон движется к чему-то тяжелому или от него, он не может должным образом ускориться, изменив скорость. Я не физик, но я считаю, что он увеличивает или уменьшает энергию, изменяя ее частоту. Другими словами, вещи, которые, как вы ожидаете, должны увеличить его скорость, вместо этого увеличат его частоту («смещение в синее», если это видимый свет), и то, что вы ожидаете, уменьшит его скорость, вместо этого уменьшит его частоту («красное смещение»). если это видимый свет).
Говорить об ускорении в космосе без точного определения немного опасно. Нужно отделить свободное падение и ускорение от импульса.
Представьте, вы находитесь внутри МКС во время коррекции орбиты. Импульс от ракетного двигателя ты чувствуешь, ты получаешь какой-то вес, а это и есть ускорение.
Все остальное время вы невесомы и не чувствуете никакого ускорения. Но без сомнения есть что-то, что удерживало космический корабль на его орбите. Называть это силой неправильно, потому что вы должны чувствовать ускорение (согласно формуле Ньютона F = ma). Вот почему Эйнштейн больше говорит не о гравитационных силах, а о кривизне пространства.
При чем тут искривление пространства и времени? Из-за того, что любая частица или тело следует по одному и тому же пути, начиная с одной и той же точки в одном и том же направлении? Это не тот случай. Самый прямой достижимый путь - это фотоны, они имеют максимально возможную скорость, но все же подвержены влиянию кривизны пространства. Для всех остальных тел траектория более искривлена под действием гравитационных масс.
Можно ответить на вопрос о том, распространяется ли свет в пространстве с разной скоростью. 1) Нет, если ответ находится в кадре рядом с частицей. 2) Да, если ответить на него из точки в дальнем космосе. Вблизи черной дыры фотон движется медленнее с точки зрения далекого от этой дыры наблюдателя.
Согласно Эйнштейну и многим другим, скорость света c 0 в вакууме универсальна и составляет около 299 792 458 м/с. Так что никогда нельзя изменить скорость света в вакууме, который является абсолютным верхним пределом для всего.
Гравитация влияет не на луч света, а на пространство и время, через которые проходит луч.
По словам наблюдателей, находящихся далеко от поля, в сильном гравитационном поле время течет медленнее. Однако для наблюдателей, на которые воздействует поле, она по-прежнему равна c 0 .
И пространство в этом поле расширяется тем сильнее, чем ближе мы подходим к центру поля. Если представить пространство как двумерную плоскость, можно сказать, что там, где находится масса, образуется глубокая вмятина. Луч света, проходящий через эту впадину, теперь проходит совершенно прямо в его поле зрения, но наблюдатели издалека видят кривую траекторию, потому что пространство искривлено.
Заметное «гравитационное красное смещение» (если свет проходит от наблюдателя в гравитационное поле) или «синее смещение» (если свет выходит из гравитационного поля к наблюдателю) для внешних наблюдателей имеет свою причину в том, что фотон набирает энергию при входе в гравитационное поле. ну а он теряет энергию, когда покидает его. Это потенциальная энергия, зависящая от гравитационного потенциала, в котором находится фотон. Поскольку массы создают гравитационные колодцы с низким потенциалом, «отсутствие» (сильного) гравитационного поля можно назвать высоким потенциалом. Эта разница энергий не может выражаться в разнице скоростей (кинетической энергии), потому что мы уже сказали, что скорость света постоянна. Вместо этого потенциальная энергия преобразуется в световую/электромагнитную (пожалуйста, поправьте меня, если термин неверен) энергию, как это можно описать с помощьюE=hf. Это означает, что энергия фотона пропорциональна его частоте. Увеличение электромагнитной энергии фотона из-за того, что он входит в более низкий гравитационный потенциал и преобразует свою потенциальную энергию, приводит к более высокой частоте, которая видна как синее смещение.
Я бы предположил, что короткий ответ — нет, но на фотоны действует гравитация.
То, что происходит, естественно, весьма относительно наблюдателя. Предположим, вы сидите на фотоне, путешествующем мимо источника гравитации со скоростью света. Как было сказано выше, вы испытаете силу гравитационного притяжения как ускорение по направлению к источнику. Кроме того, если бы вы наблюдали течение времени во время путешествия, вы бы обнаружили, что ваши часы идут медленнее, чем часы наблюдателя, путешествующего дальше от источника гравитации. Таким образом, этому «дальнему путешественнику» покажется, что вы путешествуете быстрее, хотя вы оба путешествуете со скоростью света.
В конечном счете, это означает, что хотя источник гравитации влияет на путь фотона, скорость не изменяется из-за относительного изменения времени.
По крайней мере я так это понимаю во всяком случае. :)
удрв
Qмеханик
Дэвид З.
Байт-командир
Джон Даффилд