Auswirkungen der Schwerkraft auf Photonen, die sich von der Quelle entfernen

Da ein Photon keine Masse hat und immer die Geschwindigkeit c haben muss, was würde die Auswirkung auf das Photon sein, wenn ich einen Laser direkt nach oben strahlen würde (also die Schwerkraft der Erde direkt darauf zurückziehen würde)? Es würde es weder verlangsamen noch umleiten, richtig? Mein Verständnis ist, dass es die Frequenz des Photons reduzieren würde (da seine kinetische Energie reduziert werden muss, genauso wie ein klassisches Objekt kinetische Energie verlieren würde). Wenn bei dieser Flugbahn nur eine Gravitationsrotverschiebung auftreten würde (und bitte korrigieren Sie mich, wenn ich da falsch liege), habe ich zwei ähnliche Fragen:

Würde das Licht, das eine Galaxie verlässt, nicht von einer gravitativen Rotverschiebung betroffen sein? Ist das enthalten, wenn Physiker Berechnungen bezüglich der Ausdehnung von Galaxien von uns weg durchführen (und wie genau könnten diese Berechnungen angesichts allgemeiner Schätzungen von Massenverteilungen usw. sein, insbesondere angesichts der Gravitationseffekte der Dunklen Materie)? Wenn nicht, könnte es sein, dass das, was wir jetzt für eine Trennung dieser Galaxien halten , etwas, hauptsächlich oder sogar vollständig nur Licht ist, das von der Schwerkraft beeinflusst wird?

Wäre Licht dann nicht auch in der Lage, einem Schwarzen Loch zu entkommen, sofern es genau senkrecht zum Ereignishorizont eindringt und sich das Schwarze Loch überhaupt nicht orthogonal zur Flugbahn des Photons bewegt? (Oder, vielleicht plausibler, wenn ein Photon aus dem Inneren des Schwarzen Lochs mit einer Relativgeschwindigkeit von c in Richtung des Ereignishorizonts emittiert wird.) Und dann auf der anderen Seite einfach stark rotverschoben (auf eine Frequenz von fast 0 Hz) herauskommt? Ich bin mit den GR-Gleichungen für die Gravitationsrotverschiebung vertraut, aber sie funktioniert auch nicht innerhalb des Schwarzschild-Radius (da der Nenner eine Quadratwurzel einer negativen Zahl wird).

Entschuldigung, wenn dies nur verwirrtes Geschwätz von jemandem ist, der gerade genug weiß, um gefährlich zu sein.

„Licht könnte dann einem Schwarzen Loch nicht entkommen, wenn es genau senkrecht zum Ereignishorizont eindringt“ . --- Matthew, bitte denke ein wenig darüber nach. Wenn Licht entweichen könnte, wäre es dann ein Schwarzes Loch? Aus Wikipedia: Das bestimmende Merkmal eines Schwarzen Lochs ist das Erscheinen eines Ereignishorizonts – einer Grenze in der Raumzeit, durch die Materie und Licht nur nach innen zur Masse des Schwarzen Lochs gelangen können. Nichts, nicht einmal Licht, kann dem Ereignishorizont entkommen.
Das ist die übliche Definition, aber das bedeutet nicht, dass die Mathematik nicht etwas anderes anzeigen würde. Licht bewegt sich relativ zum Schwarzen Loch bei c - wenn es nicht direkt vom Zentrum weg ist, wird es in eine Umlaufbahn um das Schwarze Loch herum gebogen, immer noch bei c . Aber wenn es sich direkt vom Zentrum wegbewegt , scheint die Schwerkraft - zumindest laut GR - nur zu einer Rotverschiebung zu führen. Zumindest, wenn meine Rechnung stimmt.

Antworten (2)

Zur ersten Frage: Sicher, das von einer Galaxie ausgestrahlte Licht wird von der gravitativen Rotverschiebung beeinflusst, aber der Effekt ist gering und unabhängig von der Entfernung der Galaxie von uns. (Siehe auch die Frage „ Warum wird die „gravitative“ Rotverschiebung in Galaxien- und Galaxienhaufenskalen vernachlässigt? “.)

Zur zweiten Frage: Sobald Sie sich im Inneren des Schwarzen Lochs befinden, können Sie das Photon nicht in Richtung Horizont emittieren, da jede gültige Richtung, in die sich ein Photon oder ein massives Teilchen bewegen könnte, zum Zentrum des Schwarzen Lochs führt. In gewisser Weise ist der Versuch, die Singularität einmal innerhalb des Horizonts zu vermeiden, wie der Versuch, das Morgen außerhalb zu vermeiden.

Sie sagen: "[O]nce innerhalb des Schwarzen Lochs können Sie das Photon nicht in Richtung Horizont emittieren", aber ich sage nicht, dass ich das Photon in Richtung des Horizonts emittieren möchte (wo ich zustimme, dass es sich zurück zum Horizont krümmen würde Zentrum des Schwarzen Lochs), aber senkrecht gerade nach oben vom Kern. Ein massives Partikel würde natürlich in eine Projektilbewegung verwickelt sein – praktisch ohne Zeitaufwand nach oben fliegen, bevor es von der Schwerkraft des Schwarzen Lochs angezogen wird. Aber ein Photon reagiert nicht auf diese Weise - es spielt keine Rolle, wie hoch die Fluchtgeschwindigkeit ist, weil es sich immer bei c bewegen wird , egal was passiert, in jedem Bezugssystem.
Hier gibt es einen wichtigen Unterschied: Wenn Sie ein Photon innerhalb des Horizonts des Schwarzen Lochs emittieren, wird es sich nicht vom Zentrum entfernen und sich dann biegen und zum Zentrum zurückkehren. Tatsächlich geht das Photon in jede Richtung, in die es gehen kann, zum Zentrum. Aber hier stellt sich eine interessante Frage: Was würde passieren, wenn ein Teilchen genau beim Überqueren des Horizonts, genau vom Zentrum weg, ein Photon emittieren würde? Theoretisch würde das Photon stationär am Horizont bleiben. Siehe diese Frage .
Ich bin mir nicht sicher, ob ich der Idee folge, dass „jede Richtung, in die das Photon gehen kann, zum Zentrum führt“. Eine solche Raumzeit-Geometrie scheint auch zu implizieren, dass auch nichts in das Schwarze Loch „hineinfallen“ kann, weil es keine Krümmung gibt, die ein Teilchen auf diese Weise beschleunigen würde. Für mich scheint es eher so, als wäre der Ereignishorizont eine Klippe, aber ich weiß auch aus der speziellen Relativitätstheorie, dass sich das Licht unabhängig von meinem Referenzrahmen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen muss. Wenn man diese beiden Intuitionen zusammenfasst, erscheint es logisch, dass das Photon in der Lage sein muss, dem Schwarzen Loch zu entkommen.
Es ist in der Tat überraschend, dass innerhalb des Horizonts des Schwarzen Lochs jede Richtung, in die sich ein Teilchen bewegen kann, zum Zentrum führt. Andererseits ist es nicht verwunderlich, dass außerhalb des Schwarzen Lochs jede mögliche Richtung in die Zukunft führt . (In der allgemeinen Relativitätstheorie ist die Zeit nur eine weitere Koordinate - es kommt einfach vor, dass außerhalb des Schwarzen Lochs die Zeitkoordinate jedes Teilchens immer zunimmt. Innerhalb des Schwarzen Lochs verliert die Zeit ihre übliche Bedeutung, aber die Entfernung vom Zentrum nimmt eine ähnliche Bedeutung an wie Die Zeit hat draußen. Daher ist das Vermeiden des Zentrums wie das Vermeiden des Morgens.)
Sie müssen mir helfen, mir das vorzustellen. Um es zu vereinfachen, wenn ich ein 2D-Gitter nehme und es verzerre, ist jeder Pfad zwischen zwei Punkten umkehrbar, egal wie ich es mache. Dasselbe gilt für ein 3D-Gitter. Ich sehe keine geometrische Lösung, die dieses kontraintuitive Konzept hervorbringt, dass etwas von A nach B gehen könnte, aber nicht von B nach A. Die „Schwerkraft ist so tief, dass Sie nicht mit jeder möglichen Geschwindigkeit herauskommen können“. Sinn, aber nicht die Vorstellung, dass alle Wege in Richtung Zentrum gehen. Selbst mit der Zeit als weitere Koordinate sehe ich diese Verzerrung nicht. Sagen Sie, die Zeit bleibt stehen? Was ist die eigentliche Mathematik?
Okay, Sie gehen von Punkt A=[x, y, z] zu Punkt B=[x+1, y, z]. Aber in der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Raumzeit vierdimensional, also geht man tatsächlich von A=[x, y, z, t] zu B=[x+1, y, z, t+1]. Und wenn Sie versuchen, zu Punkt A zurückzukehren, können Sie das nicht tun, weil Sie in der Zeit zurückgehen müssten. Jetzt innerhalb des Schwarzen Lochs können Sie sich aus genau dem gleichen Grund nicht von der Mitte entfernen. Man muss sich nur vorstellen, dass die vier Koordinaten λ, φ (also Längen- und Breitengrad auf einer Kugel mit konstantem Abstand vom Mittelpunkt), t (Zeit) und r (Abstand vom Mittelpunkt) sind. Siehe en.wikipedia.org/wiki/Schwarzschild_metric .

Die Fragestellung setzt voraus, dass Photonen aus dem harten Kern des Schwarzen Lochs emittiert werden, also in die Luft fliegen und dann wieder hineinfallen.

Das Schwarze Loch ist innen nicht schwarz, wenn man nach außen schaut. Im Gegenteil, im Inneren des Schwarzen Lochs wäre der Himmel hell.

Jeder in den Himmel gerichtete Laser würde weniger Energie an den Himmel übertragen, als er von ihm erhalten hat, daher würde die Nettoenergieübertragung zwischen dem Himmel und dem Laser (von einem Laser mit normaler Leistung) immer noch in den Laser erfolgen, nicht aus ihm heraus .

Übrigens scheint dies darauf hinzudeuten, dass wir mit Schwarzen Löchern kommunizieren könnten, wenn auf beiden Seiten entsprechende Ausrüstung vorhanden wäre - durch Messen der Varianz der Energiemenge, die in einen bestimmten Punkt eindringt (da ein Laser, der aus dem Inneren des Schwarzen Lochs heraus gerichtet wird, schwächen würde die Aufnahme von Energie von außen), obwohl die Messung über außergewöhnliche Zeiträume der Erde relativ zur Zeit im Schwarzen Loch stattfinden müsste.

Der effektive Brechungsindex des inneren Himmels des Schwarzen Lochs würde dort auch einen Laser mit außergewöhnlich feiner Fokussierung und Ausrichtung erfordern.

Die Antwort ist völlig falsch, weil ihre Annahme falsch ist - wenn Sie einen Laser irgendwo in ein Schwarzes Loch richten, ist diese Richtung auf das Zentrum gerichtet (und nicht auf den Horizont oder irgendwo anders). Es ist genauso unmöglich, einen Laser von innen zu richten das Schwarze Loch nach außen, als würde es auf gestern zielen.
@MikeRosoft, wenn alle Richtungen zum Zentrum führen, wie gelangt dann irgendetwas in das Schwarze Loch, und woher scheinen diese Dinge zu kommen, die hereinkommen ? Denken Sie daran, dass meine Behauptung nicht war, dass der Laser aus dem Schwarzen Loch leuchten würde, wenn er auf den Horizont gerichtet wäre – es war vielmehr, dass der Nettoeffekt darin bestehen würde, ein gewisses Maß an Widerstand gegen das auszuüben, was unaufhaltsam eingezogen wurde (und dieses ganze Szenario muss als rein hypothetisch angesehen werden).
Siehe die Diskussion bei der anderen Antwort. So wie jede Richtung außerhalb eines Schwarzen Lochs in die Zukunft führt, so führt jede Richtung in Richtung Zentrum, wenn man sich darin befindet. Und genau wie wenn Sie mit einem Laser schießen, können Sie das Ziel gestern nicht treffen, also können Sie, wenn Sie dasselbe innerhalb des Schwarzen Lochs tun, das Ziel nicht weiter vom Zentrum des Schwarzen Lochs entfernt treffen.
@MikeRosoft, es ging nicht darum, ein Ziel weiter von der Mitte entfernt zu treffen.
Auswirkungen der Schwerkraft auf Photonen, die sich von der Quelle entfernen
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