Leuchtet Schwerkraft langsam oder Geschwindigkeit auf?

Die Schwerkraft hat keinen Einfluss auf die Lichtgeschwindigkeit . Sie beeinflusst die Raum-Zeit-Geometrie und damit die Lichtwege . Dies kann jedoch einen ähnlichen Effekt haben.

An der Quelle emittiertes Licht$S$ein massives Objekt passieren$M$das ist sehr nah auf dem ansonsten (wenn M nicht da wäre) geraden Weg zu einem Beobachter$O$muss "rumlaufen"$M$, was länger dauert, als dem geraden Weg zu folgen, ohne$M$. Das Licht, das reicht$O$von$S$wird nicht ausgestrahlt$S$in der "gerade" (in Ermangelung von$M$) Richtung zu$O$, aber etwas abseits dieser Richtung, so dass die "Krümmung" seines Pfades durch die Schwerkraft von$M$"lenkt" es auf$O$.

Natürlich wird Licht nie gebeugt, sondern folgt immer einem geraden Weg. Was verbogen ist, ist die Raumzeit im Vergleich zur euklidischen Raumzeit in Abwesenheit von verzerrenden Massen (siehe: Geodätisch ). Diese Verzerrung im Gewebe der Raumzeit wird als Gravitationslinseneffekt bezeichnet .

Wie Walter sagt, beugt die Schwerkraft kein Licht. Licht bewegt sich entlang Null-Geodäten, einer bestimmten Art von geradem Weg. Da (affine) Geodäten definitionsgemäß die Richtung nicht ändern, sind geometrisch Lichtbahnen gerade. Außerdem ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum$c$in jedem Inertialsystem, unabhängig davon, ob die Raumzeit gekrümmt ist oder nicht, obwohl ein gekrümmtes Raumzeit-Inertialsystem immer nur lokal sein kann.

Was sich jedoch ändern kann, ist die Koordinatenlichtgeschwindigkeit . Da Koordinaten nur Bezeichnungen für Raumzeitereignisse sind, gilt dies sogar in einer völlig flachen Raumzeit. Beispielsweise nimmt im Rindler-Koordinatendiagramm die Minkowski-Metrik der flachen Raumzeit die Form an

$$\mathrm{d}s^2 = -\frac{g^2x^2}{c^2}\,\mathrm{d}t^2 + \underbrace{\mathrm{d}x^2 + \mathrm{d}y^2 + \mathrm{d}z^2}_{\mathrm{d}S^2_\text{Euclid}}\text{,}$$ wo $g$hat Beschleunigungseinheiten. Da sich Licht entlang Null bewegt ( $\mathrm{d}s^2 = 0$) Wortleitungen, die Koordinatenlichtgeschwindigkeit ist $$\frac{\mathrm{d}S}{\mathrm{d}t} = \frac{|gx|}{c}\text{,}$$ was positionsabhängig ist und sogar sein kann $0$, da es einen offensichtlichen Ereignishorizont gibt. Ein Beobachter, der in Rindler-Koordinaten stationär ist, hat tatsächlich die richtige Beschleunigung $g$, also ist das Rindler-Diagramm der flachen Raumzeit ein natürliches Analogon eines "gleichförmigen Gravitationsfeldes".

Wenn die Schwerkraft den Lauf des Lichts krümmt, impliziert dies, dass die Schwerkraft das Licht verzögert, sodass es sich langsamer bewegt?

Nein, aber was wir sagen können, ist dies. Für schwache, sich langsam ändernde Gravitationsfelder ist die folgende Metrik geeignet, um die Raumzeit in Bezug auf das Newtonsche Gravitationspotential zu beschreiben$\Phi$:

$$\mathrm{d}s^2 = -\left(1+2\frac{\Phi}{c^2}\right)c^2\,\mathrm{d}t^2 + \left(1-2\frac{\Phi}{c^2}\right)\,\mathrm{d}S^2\text{,}$$ da wir die Koordinatenlichtgeschwindigkeit leicht berechnen können (wieder $\mathrm{d}s^2 = 0$): $$\frac{\mathrm{d}S}{\mathrm{d}t} = c\sqrt{\frac{1+2\Phi/c^2}{1-2\Phi/c^2}}\text{,}$$ und so finden wir, indem wir seinen Kehrwert in einer Taylor-MacLaurin-Reihe erweitern, dass sich Licht ausbreitet, „ als ob “ wir einen Brechungsindex hätten $$n = c \frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}S} \approx 1 - 2\frac{\Phi}{c^2} + \mathcal{O}\left(\frac{\Phi^2}{c^4}\right)\text{.}$$

Wenn wir bedenken, dass wir es nur mit der Koordinatengeschwindigkeit des Lichts zu tun haben, dann könnten wir sagen, dass die Schwerkraft (eher das Gravitationspotential) das Licht verzögert. Eine andere Denkweise sieht so aus: Wenn wir vorgeben, es mit gewöhnlicher flacher Minwkoski-Raumzeit in den üblichen Trägheitskoordinaten zu tun zu haben, dann brauchen wir ein Medium mit obigem Brechungsindex, um die Lichtbahnen nachzubilden. Aber das wörtlich zu nehmen ist natürlich nicht legitim, da (1) die Metrik mehr als die Lichtausbreitung beeinflusst und (2) eine solche Interpretation die gravitative Rotverschiebung nicht erklären würde.

Der letztere Ansatz ähnelt moralisch dem, was in Walters Antwort beschrieben wird, da er von einem hypothetischen Vergleich mit der flachen Raumzeit abhängt. Der Unterschied besteht darin, dass Walter, indem er sich darauf beschränkt, darüber zu sprechen, was weit entfernt von den Gravitationskörpern passiert, das Problem der Gravitations-Rotverschiebung umgehen kann, dann aber keinen lokalen Brechungsindex zuordnen kann (auf der positiven Seite ist sein Ansatz nicht auf schwache, langsam- Änderung der Schwerkraft).

Und wenn die Schwerkraft die Lichtgeschwindigkeit beeinflusst, was sagt das über unsere Messungen der Entfernung zum am weitesten entfernten beobachtbaren Objekt aus? Können wir davon ausgehen, dass sich alle Gravitationseffekte über 15 Milliarden Lichtjahre hinweg ausgleichen?

Unsere kosmologischen Modelle gehen davon aus , dass das Universum im Großen und Ganzen homogen und isotrop ist, eine Annahme, die durch Beobachtungen der Teile davon, die wir sehen können, gestützt wird. In einem homogenen und isotropen Universum ist es ziemlich einfach zu erklären, wie sich Licht verhält, wenn es es durchquert. Also nein, wir müssen nicht davon ausgehen, dass sich die Auswirkungen der Gravitation selbst ausgleichen – im Gegenteil, wir verwenden solche Gravitationseffekte auf Licht, um die Parameter unserer Modelle anzupassen.

Dies ist eine schwierige Frage, zumal ich es nicht gewohnt bin, Erklärungen in nicht technischen Begriffen zu geben.

Ganz oben anfangen:

Bedingt ja. Im möglichst leeren Raum - nicht der zwischen Sternen, nicht der zwischen Galaxien, nicht der zwischen Galaxienfamilien und so weiter..... im allerleersten Raum zwischen den Supergalaxienhaufen, da ist es am schnellsten, wo Die Schwerkraft ist am schwächsten.

Wenn Sie die Zeit dazu hatten und ein schönes, klares Schwarzes Loch anvisieren und einen blauen Laser genau auf den Ereignishorizont auf einer Seite schießen (sagen wir, er überträgt die gesamten Werke von Shakespeare, gefolgt vom Rest des Projekts Gutenberg) - rein so, dass es den ganzen Weg überflog und dann wieder in Ihre Richtung austrat, wie eine Schleuder des Mondes bei der ersten Umlaufbahn des Mondes, was würde passieren? Würde sich die Lichtfarbe ändern?

Je näher der Strahl dem Ereignishorizont kam, desto ausgedehnter ist der Raum - stellen Sie sich das so vor, dann muss das Licht weiter reisen, und das gleiche den ganzen Weg um das Schwarze Loch herum - je näher am Ereignishorizont, desto tiefer der Brunnen , je mehr der Raum gedehnt wird und desto länger braucht das Licht, um sich fortzubewegen. Aus Ihrer Sicht ist das Schwarze Loch X entfernt, der Weg, den das Licht genommen hat, ist Y in scheinbarer Länge. Mit Ihrem praktischen Rechenschieber berechnen Sie, wann Zähmung der Spitzmaus zum Zeitpunkt Z eintreffen soll.

Es kommt nicht pünktlich. Wieso den? Denken Sie daran, dass das Licht einen sehr langen Weg zurücklegen musste, da die Schwerefelddichte die Reise verlängerte. Wenn es endlich auftaucht Welche Farbe hat es? Immer noch blau - das hängt nicht davon ab, ob sich das Schwarze Loch entfernt oder nähert - es gibt keine Rot- oder Blauverschiebung. (Ich bin hier etwas unaufrichtig, da sich die Wellenlänge um einen winzigen Betrag ins Rote verschoben hätte - dies geschieht auf ihrer Reise, je weiter sie sich bewegt, desto mehr verschiebt sie sich, teilweise aufgrund von Kollisionen mit frei schwebenden Atomen, die absorbieren und dann bei a wieder emittieren niedrigere Frequenz zB der Urknall (sehr heiß) - das Licht von diesem ist in der Tat sehr langwellig (rotverschoben zum Extrem), aber der Raum dehnt sich aus Denken Sie daran, kurz gesagt, Entropie kann nicht umgekehrt werden.

Das Seltsame ist die Entfernung, die das Licht aus der Sicht des Beobachters zurücklegt, der den Laser abgeschossen hat. Er würde extrapolieren, dass die Lichtwellen mit The Shrew, da sie so spät ankamen, nicht nur langsamer geworden sein müssen, sondern näher zusammengerückt sind (blau verschoben) - aber wenn es zum Betrachter zurückkommt, hat es genau die gleiche Farbe wie vorher. (Raum hat sich anscheinend verlängert, das würde das erklären, oder?)

Zu sagen, dass die Schwerkraft das Licht verlangsamt, ist dasselbe wie zu sagen, dass ein beobachteter Kessel niemals kocht, es hat eine Art Wahrheit aus einem bestimmten Blickwinkel – einem Wahrnehmungsstandpunkt.

Betrachtet man das ganze Universum, so gibt es sichtbare Hot-Spots und Cold-Spots, Orte mit mehr und weniger Materie – das lässt sich beobachten. Die Probleme, die wir im Moment haben, sind dunkle Materie und dunkle Energie.

Wir begannen mit Beobachtungen in unserem eigenen Sonnensystem. Entfernte Objekte werden alle relativ zueinander gemessen. Viele Objekte werden in großer Zahl beobachtet, ihre Leuchtkraft, ihre aggregierte Leuchtkraft, ihre Rot- oder Blauverschiebung – und interessanterweise ihre Änderung der Dopplerverschiebung. Verschiedene Arten von Sternen, pulsierende, Sterne, die harte Strahlung aussenden, Sterne aller Art, die sich in einer Umlaufbahn befinden, die Akkretionsscheiben im Zentrum von Galaxien und ihre Temperaturen. Diese Datensammlung seit Kopernikus oder zumindest seit der Renaissance hat alles zusammengestellt, dabei Anpassungen unter Berücksichtigung weltverändernder Paradigmenwechsel wie der Relativitätstheorie und enorme Fortschritte bei der Auflösung unserer Beobachtungen des Universums von land- und weltraumgestützten Plattformen (wir denken!