Почему свет (фотоны) может изгибаться по кривой в пространстве без массы? [дубликат]

Я слышал, что свет может формировать кривую, если он проходит вблизи звезд большой массы или даже черной дыры с сильной гравитацией. Что согласно этой ньютоновской формуле

Ф грамм знак равно грамм м 1 м 2 р 2 .

Но я также слышал, что у фотонов нет массы (покоя)! Так что это больше не соответствует этому уравнению! Но почему фотоны могут притягиваться гравитацией без массы (покоя)? Может ли кто-нибудь объяснить это?

См. мой ответ на связанный вопрос здесь для экспериментального доказательства: physics.stackexchange.com/q/70993 , а также см. мой пост в блоге по этому вопросу.
Выражено наоборот, но с тем же ответом: physics.stackexchange.com/q/18900 . Что возвращает нас к physics.stackexchange.com/q/10612 .
У фотонов нет массы покоя , но есть релятивистская масса. Поскольку это эквивалентно энергии, существует тенденция просто переписывать все формулы, чтобы использовать только энергию, но, насколько можно использовать ньютоновские формулы, масса в них является релятивистской массой и отличной от нуля для фотонов.
Фотоны не изгибаются по кривой. Они идут прямо через искривленное пространство.
возможный дубликат Влияет ли на свет гравитация? Почему?

Ответы (6)

Уравнение, о котором вы говорите, — это сила гравитации, выведенная Ньютоном. Эта сила не распространяется на такие частицы, как фотоны, по двум причинам:

  1. Фотоны слишком малы, и вы не можете использовать ньютоновскую физику для описания их свойств.

  2. Фотоны движутся слишком быстро (их скорость равна скорости света), и при такой скорости ньютоновская механика неприменима.

Закон тяготения Ньютона действительно полезен, например, для понимания движения планет вокруг Солнца или движения маятника. Но когда дело доходит до света и пространства, нужно обратиться к теории относительности Эйнштейна, чтобы полностью понять явления.

Общая теория относительности Эйнштейна — это способ объяснить гравитацию (и закон гравитации Ньютона — другой). Основная идея состоит в том, что пространство-время искривлено наличием массы. Что мы знаем (и это всегда верно), так это то, что фотоны движутся по прямой линии в вакууме. Большая масса, такая как черная дыра, может настолько искривить пространство-время, что прямая линия в пространстве-времени уже не будет прямой . Когда мы смотрим на фотоны в пространстве, кажется, что они искривляются в пространстве.

Обобщить:

  1. Свет может образовывать кривую, если он проходит вблизи большой массы.
  2. Вы правы, у фотонов нет массы.
  3. Вы также правы, фотоны не подчиняются закону тяготения Ньютона.
  4. Фотоны могут притягиваться гравитацией не из-за их массы (у них ее нет), а потому, что гравитация искривляет пространство-время.
Вы забыли, что фотоны не имеют массы в вашем списке вверху. Потому что если вы подставите 0, скажем, м 1 , Вы получаете Ф грамм знак равно грамм 0 × м 2 р 2 что упрощает до Ф грамм знак равно 0 . Вы упомянули об этом в своем резюме, но я чувствую, что это также должно быть в топ-листе .
@ColeJohnson: Да, если вы подключитесь 0 за м 1 , Вы получаете Ф грамм знак равно грамм 0 м 2 р 2 , но вы также получаете а грамм знак равно 0 м 2 р 2 0 .
@ColeJohnson: К счастью, у фотонов есть масса (равная час ν с 2 ), так что вы этого не понимаете. У них просто нет массы покоя .
@JanHudec нет, нет. Современные физики стараются больше не использовать понятие релятивистской (т.е. не покоящейся) массы. Подробнее см. здесь .
Основная идея @ChocoPuce не в том, что пространство-время искривлено массой. Оно искривлено энергией, а у фотонов есть энергия, поэтому они могут искривлять пространство так, что, например, два изначально параллельно движущихся пути фотонов пересеклись (если не учитывать квантовую неопределенность).
@Ruslan: Поскольку релятивистская масса в любом случае эквивалентна энергии, я понимаю, что вместо этого проще переписать формулы для энергии, но пока мы пытаемся повторно использовать здесь формулы из ньютоновской динамики, в них нужна релятивистская масса.
@JanHudec Однако энергия - это не масса. Их можно конвертировать друг в друга а-ля Е 2 знак равно м 0 2 с 4 + п 2 с 2 , но они не одинаковы. Википедия забавная .
@JanHudec, если вы используете релятивистскую массу для перезаписи ньютоновских уравнений движения, вам придется иметь дело с зависимостью не только от скорости, но и от угла между силой, действующей на частицу, и ее скоростью. Т.е. у вас анизотропная масса. В этом случае уравнения еще больше усложнятся и будут включать м | | а также м ⊥ ( подробности ). Зачем вам это? Просто чтобы упростить самые тривиальные уравнения? Это упрощение вводит в заблуждение. Лучше просто использовать правильный релятивистский механизм и отказаться от понятия релятивистской массы.

Ваша логика в конечном счете неверна, потому что это уравнение не раскрывает истинную природу гравитации.

Согласно общей теории относительности, сами объекты искривляют пространство-время.

Деформация пространства

Представьте себе пространство в виде резинового листа. Если вы растянете его и поместите массу в середину и прокатите мячик для пинг-понга мимо массы, он будет изгибаться к массе. Точно так же, когда пространство-время искривляется, любой объект, независимо от того, имеет он массу или нет, будет казаться притягивающимся к массе. Но с точки зрения объекта он движется по прямой.

Странные вещи происходят при скоростях, равных или близких С . Хотя у фотона нет массы, у него есть импульс и энергия.

Спасибо, это действительно новые вещи для учеников 9 класса, таких как я. Я должен узнать больше об этой теории пространства-времени.
@PoomrokcThe3years: На самом деле вся кривизна пространства-времени вытекает из простого принципа эквивалентности между гравитацией и ускорением системы отсчета. Из чего довольно прямо следует, что свет не должен быть свободен от гравитации.
Фотоны не имеют массы покоя (или имеют непостижимо малую массу покоя). При той скорости, с которой они движутся, у них действительно есть масса из-за содержащейся в них энергии. На самом деле говорить об этом излишне, потому что масса и энергия — одно и то же.

Ах, все эти разговоры об искривленном пространстве-времени. Ну, есть более простой аргумент.

Фундаментальная аксиома общей теории относительности, «принцип эквивалентности», гласит:

Действие однородного гравитационного поля эквивалентно действию системы отсчета при равномерном ускорении в направлении, противоположном направлению действия гравитационного поля.

Все эти сложные вещи об искривленном пространстве-времени вытекают из этого, но нам ничего из этого не понадобится, потому что мы можем сделать простой аргумент прямо из этой аксиомы.

В инерциальной системе отсчета свет движется прямолинейно. Теперь, если вы будете наблюдать за ним из ускоряющейся системы отсчета, вы, очевидно, увидите, что он ускоряется в противоположном направлении вместе с любыми другими объектами. А поскольку гравитация имеет тот же эффект, что и ускоряющая система отсчета, свет должен подвергаться гравитационному ускорению наряду со всем остальным.

Я поставил вам +1, но, согласно вашему объяснению, почему свет искривляется в соответствии с кем -то, находящимся вне ускоряющей системы отсчета?
@MarkHurd: по словам наблюдателя, в неускоряющейся системе отсчета без гравитационного поля свет не искривляется. Аксиома не говорит об ускорении системы отсчета в гравитационном поле. В нем говорится, что два разных случая, один с гравитационным полем и один без такого поля, но с использованием ускоряющей системы отсчета, выглядят одинаково.
Таким образом, фактически все находятся в гравитационном поле звезды, вокруг которой искривлен свет, поэтому каждый наблюдатель увидит искривление.
@MarkHurd: наблюдатели увидят изгиб, потому что это эффект гравитации. Находятся ли они «в» гравитационном поле (что бы это ни значило), не имеет значения.

В ньютоновской теории гравитации фотоны не подвержены влиянию гравитации (созданы массами). Так что ваш вывод правильный.

Но в общей теории относительности кривые свободных объектов, таких как пробные частицы или фотоны (геодезические), определяются геометрией пространства-времени. Геометрия описывается метрикой, которая задается распределением энергии и массы во Вселенной (уравнение Эйнштейна). Также важно отметить, что поэтому вам не нужно понятие силы в общей теории относительности.

Вкратце: свет изгибается по кривой из-за искривления пространства-времени.

Действительно ли существует кривая пространства-времени? Или это просто универсальная теория?
Это философский вопрос. Но поскольку есть много эффектов, которые не могут быть описаны ньютоновской теорией, мы можем сказать, что понятие искривления пространства-времени — лучший способ взглянуть на природу.
Да, может быть, когда-нибудь я отправлюсь туда и отправлюсь в путешествие в пространстве-времени!!!!!
Вы уже путешествуете в пространстве-времени! ( en.wikipedia.org/wiki/Spacetime ) Не путайте пространство-время с космическим пространством.
Вау, все ответы кружат голову!!!
@PoomrokcThe3years: Да, это явление наблюдалось, и оно точно соответствует уравнениям Эйнштейна. :)
Если в ОТО понятие силы не нужно, то как нефотонные объекты падают назад к массивному телу? Прямые линии не складываются сами в себя даже в изогнутой геометрии.

Формула Ньютона представляет собой приблизительное представление о том, как «на самом деле работает гравитация».

На самом деле мы до сих пор не знаем, как на самом деле работает гравитация, но мы значительно улучшили наше понимание ее благодаря общей теории относительности Эйнштейна.

Гравитация — это просто мера кривизны четырехмерного многообразия, которое мы, земляне, называем пространством-временем. Локальные концентрации массы или энергии заставляют многообразие, которое обычно является «плоским», искривляться в виде четырехмерной вмятины (сложно изобразить, но легко увидеть в математических терминах). На самом деле мы не знаем, ПОЧЕМУ он изгибается, но мы измерили это явление с выдающейся точностью (что, кстати, доказало ошибочность законов Ньютона как фундаментального объяснения природных явлений — они все еще полезны для инженерных целей, поэтому, пожалуйста, изучите их). ). Другими словами, гравитация — это просто геометрия.

Большая часть «кривизны» приходится на временное измерение, но некоторая часть (1/300 000 000 ^ 2 в системе СИ) — на пространственное измерение. Отсюда и искривление световых лучей - даже если они не имеют массы, их траектория повторяет составляющую кривизны в "обычном трехмерном пространстве". И да, это было подтверждено экспериментально, так что это не просто какая-то математическая фантазия.

И, кстати, на самом деле не существует такого понятия, как «световые лучи» — это еще одно полезное приближение к чему-то, что мы тоже не совсем понимаем :)

вы правы в своих размышлениях, потому что используете законы Ньютона. Однако законы Ньютона не были полностью точными. Для таких обстоятельств, как фотоны и экстремальная гравитация, такая как черные дыры, вы должны использовать общую теорию относительности Эйнштейна. Эти законы гласят, что все частицы следуют кратчайшим путем в пространстве-времени, включая фотоны. Но без Эйнштейна ваше мышление совершенно логично.

О.. Я когда-то слышал, что закон Ньютона глобальный, а закон Эйнштейна универсальный. Я понимаю это сейчас.
Ага. Теория Эйнштейна в основном улучшает теорию Ньютона.
Почти во всех обстоятельствах легче использовать ньютоновские законы физики, даже НАСА использует их для своих космических полетов, но вы правильно указали на одну из немногих ситуаций, в которых ньютоновская физика не работает.
Почему свет (фотоны) может изгибаться по кривой в пространстве без массы? [дубликат]
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v