Warum kann sich Licht (Photonen) ohne Masse in einer Kurve durch den Raum biegen? [Duplikat]

Die Gleichung, die Sie erwähnen, ist die von Newton abgeleitete Gravitationskraft. Diese Kraft gilt aus zwei Gründen nicht für Teilchen wie Photonen:

1. Photonen sind zu klein, und Sie können ihre Eigenschaften nicht mit der Newtonschen Physik beschreiben.

2. Photonen bewegen sich zu schnell (ihre Geschwindigkeit ist Lichtgeschwindigkeit) und bei einer solchen Geschwindigkeit kann die Newtonsche Mechanik nicht angewendet werden.

Newtons Gravitationsgesetz ist sehr nützlich, um zum Beispiel die Bewegung von Planeten um die Sonne oder die Bewegung eines Pendels zu verstehen. Aber wenn es um Licht und Raum geht, muss man sich Einsteins Relativitätstheorie ansehen, um Phänomene vollständig zu verstehen.

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie ist eine Möglichkeit, die Gravitation zu erklären (und Newtons Gravitationsgesetz ist eine andere). Die Grundidee ist, dass die Raumzeit durch das Vorhandensein von Masse gekrümmt wird. Was wir wissen (und das ist immer wahr), ist, dass sich Photonen im Vakuum geradlinig fortbewegen. Eine große Masse wie ein Schwarzes Loch kann die Raumzeit so stark krümmen, dass eine gerade Linie in der Raumzeit nicht mehr gerade ist. Wenn wir Photonen im Weltraum betrachten, scheinen sie sich in einer Kurve durch den Raum zu biegen.

Zusammenfassen:

1. Licht kann eine Kurve bilden, wenn es sich in der Nähe einer großen Masse bewegt.
2. Du hast Recht, Photonen haben keine Masse.
3. Sie haben auch Recht, Photonen folgen nicht Newtons Gravitationsgesetz.
4. Photonen können nicht wegen ihrer Masse (sie haben keine) von der Schwerkraft angezogen werden, sondern weil die Schwerkraft die Raumzeit krümmt.

Ihre Logik ist letztendlich falsch, weil diese Gleichung nicht die wahre Natur der Schwerkraft offenbart.

Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie krümmen Objekte selbst die Raumzeit.

Stellen Sie sich den Raum wie eine Gummiplatte vor. Wenn Sie es dehnen und eine Masse in die Mitte legen und einen Tischtennisball an der Masse vorbeirollen, krümmt er sich zur Masse hin. Wenn die Raumzeit gekrümmt wird, scheint jedes Objekt, ob es Masse hat oder nicht, von der Masse angezogen zu werden. Aber aus der Perspektive des Objekts verläuft es in einer geraden Linie.

Seltsame Dinge passieren bei Geschwindigkeiten von oder in der Nähe$C$. Während ein Photon keine Masse hat, hat es Impuls und Energie.

Ah, all das Gerede über gekrümmte Raumzeit. Nun, es gibt ein einfacheres Argument.

Das grundlegende Axiom der Allgemeinen Relativitätstheorie, "Äquivalenzprinzip", besagt:

Die Wirkung eines homogenen Gravitationsfeldes ist äquivalent zu der eines Bezugssystems bei gleichförmiger Beschleunigung in der dem Gravitationsfeld entgegengesetzten Richtung.

All das komplexe Zeug über den gekrümmten Zeit-Raum wird davon abgeleitet, aber wir werden nichts davon brauchen, weil wir einfache Argumente direkt aus diesem Axiom machen können.

In einem inertialen Bezugssystem bewegt sich Licht geradlinig. Wenn Sie es jetzt vom beschleunigten Referenzrahmen aus beobachten, werden Sie offensichtlich sehen, wie es zusammen mit allen anderen Objekten in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Und da die Schwerkraft den gleichen Effekt hat wie das beschleunigende Bezugssystem, muss Licht mit allem anderen der Erdbeschleunigung ausgesetzt werden.

In Newtons Gravitationstheorie werden Photonen nicht von der Gravitation (erzeugt durch Massen) beeinflusst. Deine Schlussfolgerung ist also richtig.

Aber in der Allgemeinen Relativitätstheorie werden die Kurven von freien Objekten wie Testteilchen oder Photonen (Geodäten) durch die Raum-Zeit-Geometrie bestimmt. Die Geometrie wird durch die Metrik beschrieben, die durch die Energie- und Massenverteilung des Universums gegeben ist (Einstein-Gleichung). Es ist auch wichtig zu beachten, dass Sie daher den Begriff einer Kraft in der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht benötigen.

Kurz gesagt: Licht wird durch gekrümmte Raumzeit gekrümmt.

Die Newtonsche Formel ist eine Annäherung an die „wirkliche Funktionsweise der Schwerkraft“.

Wir wissen eigentlich immer noch nicht, wie die Schwerkraft wirklich funktioniert, aber wir haben unser Verständnis davon dank Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie enorm verfeinert.

Die Schwerkraft ist einfach ein Maß für die Krümmung einer 4-dimensionalen Mannigfaltigkeit, die wir Erdlinge Raumzeit nennen. Lokale Massen- oder Energiekonzentrationen führen dazu, dass sich die normalerweise "flache" Mannigfaltigkeit in einer 4D-Krümmung krümmt (schwer vorstellbar, aber mathematisch leicht zu erkennen). Wir wissen eigentlich nicht, WARUM es sich verbiegt, aber wir haben das Phänomen mit hervorragender Genauigkeit gemessen (was übrigens die Unrichtigkeit der Newtonschen Gesetze als grundlegende Erklärung natürlicher Phänomene bewiesen hat - sie sind jedoch immer noch für technische Zwecke nützlich, also lernen Sie sie bitte ). Mit anderen Worten, Schwerkraft ist einfach Geometrie.

Der größte Teil der "Krümmung" verläuft entlang der Zeitdimension, aber ein Teil (1/300.000.000 ^ 2 in SI) entlang der räumlichen Dimension. Daher die Krümmung von Lichtstrahlen - selbst wenn sie keine Masse haben, folgt ihre Flugbahn der Krümmungskomponente im "gewöhnlichen 3D-Raum". Und ja, dies wurde experimentell validiert, es handelt sich also nicht nur um eine auf Mathematik basierende Fantasie.

Übrigens gibt es so etwas wie "Lichtstrahlen" wirklich nicht - das ist eine weitere nützliche Annäherung an etwas, das wir auch nicht ganz verstehen :)

du hast recht mit deiner meinung, weil du die newtonschen gesetze anwendest. Die Newtonschen Gesetze waren jedoch nicht ganz genau. Für Umstände wie solche mit Photonen und extremer Schwerkraft wie Schwarze Löcher müssen Sie Einsteins allgemeine Relativitätstheorie verwenden. Diese Gesetze besagen, dass alle Teilchen dem kürzesten Weg entlang der Raumzeit folgen, einschließlich Photonen. Aber ohne Einstein ist Ihr Denken vollkommen logisch.