Verliert Licht beim Transport Energie?

Stellen Sie sich vor, ein Photon ist ein energetisches Teilchen und hat daher ein Gravitationsfeld. Wenn ein Photon ein Molekül oder Staubpartikel im Weltraum passiert, zieht es den Staub zu sich heran und verformt den Staub. Dadurch wird auf normale Newtonsche Weise Energie verloren, und die Energie wird vom Photon geliefert.

Unter der Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, impliziert dies, dass das Photon auf seinen Reisen weniger energiereich wird und daher rotverschoben wird, einfach als Folge von Wechselwirkungen mit nahen Objekten. Ist die Wirkung real und/oder messbar?

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Antworten (1)

Ja, der Effekt ist real, zumindest potenziell, aber nein, er ist nicht messbar.

Abgesehen davon ist die Rotverschiebung des Lichts durch seine gravitative Wechselwirkung mit (homogenem und isotropem) Staub genau das, was die FLRW-Metrik vorhersagt, aber dies ist eindeutig nicht das, was die Frage bedeutet.

Das Gravitationsfeld eines Lichtstrahls wird in dem Artikel On the Gravitational Field Produced by Light von Tolman, Ehrenfest und Podolsky berechnet (der Link ist ein 1,5 MB großes PDF). Ein Testpartikel spürt eine Kraft senkrecht zum Lichtstrahl (es gibt keine Kraft parallel zum Lichtstrahl), sodass ein Teil der Lichtenergie auf das Testpartikel übertragen wird. Wenn ein Lichtstrahl ein Staubteilchen passiert, erhalten wir im Prinzip so etwas:

Licht

Ein Teil der Lichtenergie würde auf das Teilchen übertragen und es würde dadurch rotverschoben. Die Veränderung ist zu klein, um jemals messbar zu sein, aber im Prinzip wäre sie da.

Dies ist jedoch wahrscheinlich nicht außerhalb eines Physiklabors der Fall. Für Sternenlicht, das durch eine Staubwolke scheint, würde die Wechselwirkung tatsächlich so aussehen:

Licht

Da das Licht symmetrisch um das Staubteilchen ist, spürt das Teilchen keine Nettokraft und wird nicht beschleunigt. Daher wird ihm keine Energie übertragen und das Licht wird nicht rotverschoben. Als Ergebnis gibt es keine kosmologische Rotverschiebung aufgrund gravitativer Wechselwirkungen mit Staub.

Ich dachte eher an Veränderungen innerhalb des Staubpartikels, die eine Erwärmung des Partikels und einen daraus resultierenden Energieverlust in den Photonen verursachen. Es scheint mir, dass dies eine Kraft parallel zum Lichtstrahl verursachen könnte und durch die Frage komplizierter würde, ob die gravitative/zeitliche Störung dem Photon im Raum vorausgeht.
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