Если у света нет массы, почему на него влияет гравитация?

Свет не ускоряется в гравитационном поле, что делали бы массы, потому что свет имеет универсально постоянную скорость. Почему это исключение?

Другой способ ответить на этот вопрос - применить принцип эквивалентности, который Эйнштейн назвал своей «самой счастливой мыслью» (так что вы знаете, что она должна быть хорошей). Принцип эквивалентности гласит, что если вы находитесь в закрытом ящике в присутствии того, что Ньютон назвал бы гравитационным полем, то все, что происходит в этом ящике, должно быть таким же, как если бы оно не было в гравитационном поле, а вместо этого ускорялось вверх. , Поэтому, когда вы отпускаете мяч, вы можете представить себе, что мяч ускоряется вниз под действием силы тяжести, или вы можете представить все, кроме того, что мяч ускоряется вверх, и мяч просто остается позади (что, по иронии судьбы, лучше справляется с нагрузками, которые вы можете легко обнаруживать на каждом окружающем вас объекте, которого нет на мяче, в том числе чувство, которое вы сейчас получаете снизу).

Учитывая это правило, легко увидеть, как гравитация будет влиять на свет - просто представьте, что лазер светит горизонтально. В «оставленной позади» системе отсчета мы видим, что произойдет - луч начнется с последовательно все более высокой точки, и этот эффект повышения ускоряется. Таким образом, учитывая конечную скорость света, форма луча будет изгибаться вниз, и луч не будет попадать в точку на стенке бокса, прямо противоположную лазеру. Следовательно, это также должно быть то, что воспринимается изнутри коробки - луч не попадает в точку прямо напротив лазера (так как эта точка становится выше, чем точка напротив него, где излучался свет), и его путь кажется изгибаться вниз. Ergo, свет "падает".

В самом деле, это принципиальное упрощение принципа эквивалентности - вам никогда не нужно знать, что такое вещество, все вещества «падают одинаково», потому что с веществом ничего не происходит, это просто последствия того, что «оставлены» все, что действительно имеет силы на это и на самом деле ускоряется.

Кстати, интересно отметить, что даже в ньютоновской гравитации безмассовые объекты «падали бы» так же, как и объекты с массой, но чтобы увидеть это, нужно взять предел. Просто бросьте шарик в вакууме, затем шарик с меньшей массой, затем еще более низкую массу. Все объекты падают одинаково под ньютоновской гравитацией. Так что просто перейдите к пределу нулевой массы, вы не увидите никакой разницы на пути этого предела. Тем не менее, ньютоновская гравитация не дает правильного ответа для траектории света в гравитации, потому что ньютоновская физика неправильно трактует скорость света.

Есть несколько способов подойти к вашему вопросу:

Черные дыры - это области пространства, которые были деформированы достаточно концентрированной массой. Световые волны / частицы всегда движутся по прямой с постоянной скоростью ( ). Хотя фотон, приближающийся к черной дыре, будет продолжать путешествовать по прямой в пространстве, само пространство изогнулось, поэтому путь фотона изогнется.$c$

Хотя фотоны не ускоряются при наличии силы тяжести, они влияют на нее другими способами. В частности, фотоны, попадающие в гравитационную яму, смещены в синий цвет, а фотоны, покидающие один из них, смещены в красный цвет. Это красное / синее смещение происходит потому, что внутри гравитационного поля время течет медленнее, чем снаружи. Однако во всех системах отсчета скорость света остается постоянной. В вики больше информации об этом .

^{Примечание: вопрос изначально относился конкретно к черным дырам. Вышеупомянутое справедливо для любой концентрации вещества (из которых черные дыры являются крайним примером).}

TL; DR свет зависит от силы тяжести , потому что он путешествует по пространственно-временной сетке и ее кривизне IS тяжести. Это становится очень заметным в черных дырах.also: Einstein > Newton

Черные дыры чёрные, потому что ни один свет, пересекающий «горизонт событий», не сможет снова исчезнуть. Масса изгибает «сетку» пространства-времени. Свет - двумерно говоря - движется по полу сетки пространства-времени и следует своей кривизне, то есть он идет по конусу, созданному присутствием массы, и снова движется по кратчайшему пути наружу. Это делает путешествие света дольше . Теперь для черной дыры все более экстремально: черная дыра образуется, когда много материи забивается в пространство, которое находится на радиусе Шварцшильда или меньше его. Радиус Шварцшильда любого звездного объекта определяется исключительно его массой. Любая масса с достаточно высокой плотностью превращается в черную дыру:

r _s = 2 * G / 2 c
Радиус Шварцшильда = 2* the gravitational constant / 2 * the speed of light.
Умножьте это с M, массой объекта в кг , и вы получили т _s для этой массы.

Однако, чтобы понять, как черные дыры искривляют пространство настолько, что они не пропускают свет, мы должны рассмотреть лишь небольшую часть уравнения Шварцшильдов.

Чтобы нарисовать изображение для понимания черных дыр, нам нужен только этот средний раздел:
1) 2) 3) 4) Мы уже установили r _s как радиус Шварцшильда конкретного объекта, r - радиус звездного объекта. Когда r становится таким же маленьким, как r _s, вы получаете особенность ^1, и начинают происходить странные вещи, что наиболее важно для вопроса OPs, кривизна пространства-времени в черной дыре становится бесконечной (!)
это означает, что любому свету, который пересекает горизонт событий в любой точке, потребуется бесконечное количество времени, чтобы пройти через воронку черных дыр. Даже под очень плоским углом по отношению к горизонту событий, где его чуть-чуть тыкают, он теряется, потому что теория множеств учит нас: любое подмножество бесконечности также бесконечно.

Вот несколько дополнительных визуализаций:
Гравитационный пространственно-временной конус Земли:

Гравитационная пространственно-временная воронка черной дыры:

1) Сингулярность. Сингулярность в терминах исчисления / алгебры, в основном, именно тогда, когда вы делите на ноль (что вы никогда не сделаете!). 2D-сингулярность может выглядеть так: f(x) = 1/x(сингулярность находится в середине при x = 0).

Трехмерная особенность может выглядеть следующим образом / \, особенность при x = 1 (это дзета-функция Римана).

Ускорение здесь не актуально. Любая заданная гравитационная скважина имеет определенную скорость выхода. Частицы быстрее, чем эта скорость, покидают колодец, частицы медленнее - нет. Само определение черной дыры - это гравитационная яма (дыра), где скорость выхода превышает «c» скорость легких частиц, поэтому по определению свет не может вырваться из этой дыры, что делает ее «черной».

Если у света нет массы, почему на него влияет гравитация?

Потому что свет имеет волновую природу, а гравитационное поле - это место, где скорость света меняется. Так что свет изгибается вниз. Это скорее похоже на то, как волны сонара имеют тенденцию изгибаться вниз в море:

^{Изображение из ФАС и ВМС США, см. Курс ES310, глава 20}

Свет не ускоряет свое ускорение, что делали бы массы, потому что свет имеет универсально постоянную скорость. Почему это исключение?

Боюсь, это не правильно. Посмотрите, что сказал Эйнштейн:

1912 : «С другой стороны, я считаю, что принцип постоянства скорости света может поддерживаться лишь постольку, поскольку он ограничивается пространственно-временными областями постоянного гравитационного потенциала».

1913 : «Я пришел к результату, что скорость света не должна рассматриваться как независимая от гравитационного потенциала. Таким образом, принцип постоянства скорости света несовместим с гипотезой эквивалентности ».

1914 : «В случае, когда мы отбрасываем постулат о постоянстве скорости света, априори не существует привилегированных систем координат».

1915 : «автор этих строк считает, что теория относительности все еще нуждается в обобщении в том смысле, что от принципа постоянства скорости света следует отказаться».

1916 : «Во-вторых, наш результат показывает, что, согласно общей теории относительности, закон постоянства скорости света в вакууме, который составляет одно из двух фундаментальных предположений в специальной теории относительности и к которому мы уже часто ссылались, не можем претендовать на неограниченную юридическую силу ».

1920 : «Во-вторых, это следствие показывает, что закон постоянства скорости света больше не действует, согласно общей теории относительности, в пространствах, которые имеют гравитационные поля. Как показывает простое геометрическое соображение, кривизна световых лучей происходит только в пространствах, где скорость света пространственно переменна ».

Эйнштейн также говорил о «преломлении световых лучей гравитационным полем» . То же самое сделал Ньютон, см. Вопрос 20 к «Оптикс» : «Разве эта эфирная среда не выходит из воды, стекла, кристалла и других компактных и плотных тел в пустых пространствах, не становится все плотнее и плотнее, и тем самым преломляет лучи светить не в точке, а постепенно сгибая их по кривым линиям? » Это действительно рефракция, и гравитационное линзирование - подходящая фраза. Также см. Раздел GR «Скорость света везде одинакова?» Это статья PhysicsFAQ редактора Дона Кокса. Он говорит об Эйнштейне и преломлении и говорит следующее:«свет ускоряется при подъеме с пола на потолок и замедляется при спуске с потолка на пол; это не похоже на шар, который замедляется на пути вверх и идет быстрее на пути вниз». Разве это не интересно?

Многие люди скажут вам, что кривые блеска «потому что они следуют за кривизной пространства-времени» , но это тоже неправильно. Кривизна пространства-времени связана с приливной силой, а не с силой тяжести. См. Мои «детективы по физике» о скорости света и о том, как работает гравитация, за подробностями и ссылками.