Sie haben einen Schlüsselaspekt der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) übersehen:

Die Gravitationskraft, die wir beobachten, ist gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie eine Illusion . Insbesondere die an einem Objekt beobachtete „Gravitationskraft“ und „Gravitationsbeschleunigung“ ist eine Illusion, die dadurch erzeugt wird, dass sich das Objekt entlang einer Geodäte im vierdimensionalen Raum bewegt.

Erläuterung

In der Allgemeinen Relativitätstheorie verzerrt das Vorhandensein von Masse und Energie die vierdimensionale Raumzeit, wodurch eine räumliche Krümmung induziert wird. Je größer das Vorhandensein von Masse und Energie an einem bestimmten Ort ist, desto größer ist die induzierte räumliche Krümmung. Wenn ein Teilchen (masselos oder nicht ) in diesen gekrümmten Raum eindringt, bewegt sich das Teilchen weiterhin in einer geraden Linie (ohne äußere Kräfte); aber da der Raum, den es bereist, gekrümmt ist, wird sein globaler Pfad gekrümmt sein.

Zeichnen Sie als Analogie zwei gerade Linien auf eine Kugel (eine gekrümmte Oberfläche), die sich in verschiedene Richtungen bewegen. Lokal (in kleinen zweidimensionalen Abständen) bewegen sich die Linien in einer geraden Richtung, ohne abzubiegen. Global (in drei Dimensionen) sehen wir, dass sein Pfad gekrümmt ist und sich unweigerlich schneiden wird ( auf der anderen Seite der Kugel ). Wir nennen diese Pfade Geodäten . Die Mathematik in Bezug auf Geodäten beinhaltet die Differentialgeometrie, die viel Gebrauch von der multivariaten Kalkül macht.

Nun zurück zur allgemeinen Relativitätstheorie. GR sagt voraus, dass die Gravitationskräfte, die wir beobachten, die Manifestation der vierdimensionalen Raumzeit sind, die durch das Vorhandensein von Masse-Energie verzerrt wird. Eine gängige Analogie ist das unten gezeigte Trampolin-Well-Modell. Eine schwere Masse, die auf einem Trampolin sitzt, krümmt die Oberfläche des Trampolins. Jegliche Objekte, die sich dann auf die schwere Masse zubewegen, werden zu ihr hin abgelenkt. Nun muss ich eine wichtige Vereinfachung hervorheben, die in solchen Diagrammen gemacht wird: Diese Diagramme reduzieren die vierdimensionale Raumzeit auf drei räumliche Dimensionen . Die XY-Ebene des Diagramms stellt die XYZ-Komponenten der Raumzeit dar, während die Z-Achse des Diagramms die T-Komponente der Raumzeit darstellt. Für Matheliebhaber reduzieren sie sich$(\vec{X}, \vec{Y}, \vec{Z}, \vec{T})$zu$(\sqrt{\vec{X}^2 + \vec{Y}^2}, \vec{Z}, \vec{T})$

Jetzt kommt der coole Teil:

Jetzt statt dessen Pfad entlang der Kurve$\vec{X}\vec{Y}$Ebene, wie auf dem Foto oben zu sehen, würde sich ihr Weg dagegen krümmen$\vec{Z}$(vertikal). In diesem Zusammenhang aber$\vec{Z}$bezieht sich nicht auf die Z-Richtung, sondern auf$\vec{T}$. Das bedeutet, dass Beobachter sehen würden, wie das Teilchen durch die Zeit „beschleunigt“ und scheinbar „verlangsamt“ wird. Sie werden nämlich die Zeitdilatation der Gravitation sehen .

BEARBEITEN. Ich habe einen Fehler gemacht: Das Licht beschleunigt! Es tut dies lediglich gemäß den Regeln der speziellen Relativitätstheorie.* Wenn Objekte (masselos oder nicht) in der Nähe einer Gravitationsquelle vorbeikommen, nehmen sie Gravitationsenergie auf und werden beschleunigt, wodurch sie kinetische Energie gewinnen. Für Objekte mit Masse bedeutet dies eine erhöhte Geschwindigkeit (daher Gravitationsschleudern). Für masselose Teilchen (wie Photonen) bedeutet dies normalerweise eine erhöhte Frequenz oder Blauverschiebung, wie Jeremy in einer separaten Antwort darauf hingewiesen hat. (Danke Peter, Rob und Jeremy für den Hinweis auf dieses Versehen.)

Widerspruch?

Vielleicht ist Ihnen hier ein Widerspruch aufgefallen. Gemäß der speziellen Relativitätstheorie und Beobachtungen beschleunigen Objekte in Gravitationsbrunnen. Ein typisches Beispiel: Gravitationsschleuderschießen. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die von uns beobachtete „Gravitationskraft“ jedoch eine Manifestation der vierdimensionalen Raum-Zeit-Krümmung. Also, was ist es: Gibt es eine Kraft oder nicht? Nicht wirklich: Es ist eine Frage der Bezugsrahmen. Von unserem Bezugssystem aus sehen wir eine Beschleunigung; aber aus der vierdimensionalen Raum-Zeit-Referenz sehen wir reine geodätische Bewegung.

Daher ist die Schwerkraft keine Kraft, die auf ein Objekt einwirkt, sondern eher das Objekt, das sich entlang einer geodätischen Bahn bewegt, die den Anschein von Beschleunigung zeigt .

Eine Sache, die die vorherigen Antworten vermissen – das Licht wird beschleunigt; es wird nur nach den Regeln der speziellen Relativitätstheorie beschleunigt, die besagt, dass es keine Geschwindigkeit aufnehmen kann, wenn es bereits mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist.

Stattdessen gewinnt es kinetische Energie, wie ein Photon kinetische Energie gewinnt – indem es zu einer höheren Frequenz blauverschoben wird, was gemäß der Planck-Beziehung zu mehr Energie führt$E = h\nu$.

Derzeit gibt es keine Beweise dafür, dass Photonen eine Masse haben, und es wird allgemein akzeptiert, dass es sich um masselose Teilchen handelt.

Nichtsdestotrotz beeinflusst die Gravitation den Weg der Photonen, denn die Krümmung der Raumzeit bewirkt, dass sich alle Teilchen auf gekrümmten Bahnen bewegen, einschließlich masseloser. Das heißt aber nicht, dass Licht beschleunigt wird. Die Lichtgeschwindigkeit (299.792.458 m/s) ist ein absolutes Maximum und darf weder abnehmen noch zunehmen.

Ändert sich die Lichtgeschwindigkeit durch die Sonne? Nun, ja und nein. Es gibt zwei Möglichkeiten, wie man in der Allgemeinen Relativitätstheorie über Geschwindigkeit nachdenken kann. Eine davon ist die Koordinatengeschwindigkeit, d. h. die Änderungsrate der Raumkoordinate in Bezug auf die Zeitkoordinate des Koordinatensystems, die Sie nach Belieben auswählen können. Ein anderer ist die Geschwindigkeit, wie sie von einem speziellen Rahmen aus gesehen wird, nämlich das örtliche Inertialsystem in der Nähe der betrachteten Lichtquanten. Der grundlegende Aspekt der Allgemeinen Relativitätstheorie besteht darin, dass die Physik in einem lokalen Trägheitssystem genau die gleiche ist wie die Physik der Speziellen Relativitätstheorie. Aber aufgrund der Schwerkraft sind diese klein-kleinen lokalen Trägheitssysteme global so angeordnet, dass ein globales Trägheitssystem nicht gebildet werden kann. Nun, in einem generischen Bezugssystem, dh in einem generischen Koordinatensystem, kann die Lichtgeschwindigkeit durchaus unterschiedlich sein$c$und tatsächlich kann es sich sogar mit der Zeit ändern.

Beispielsweise ist die Geschwindigkeit eines Photons, das sich radial in der Nähe eines kugelsymmetrischen und statischen Objekts bewegt, gegeben durch$v=\dfrac{dr}{dt}=c\bigg(1-\dfrac{2GM}{rc^2}\bigg)$wenn Sie als räumliche Koordinaten die Kugelkoordinaten wählen, die um das massive Objekt mit radialer Koordinate zentriert sind$r$und verfolgen Sie die Zeit mit einer Uhr, die sich weit entfernt von dem kugelförmigen Objekt (Stern) befindet. Wie Sie deutlich sehen können, kann die Geschwindigkeit mit dem Radius variieren$r$. Das Beschleunigen und Verlangsamen erfolgt jedoch auf etwas kontraintuitive Weise. Ein ausgehendes Photon scheint schneller zu werden und ein eingehendes Photon scheint langsamer zu werden. Wenn Sie zu einem lokalen Trägheitsrahmen gehen, ist die Geschwindigkeit wiederum unveränderlich$c$aber Sie haben keinen Rahmen, der träge ist und die Bewegung des Lichts für eine endliche Zeit oder innerhalb eines endlichen Raumbereichs beschreiben kann.

Sie vermissen die spezielle Relativitätstheorie und die allgemeine Relativitätstheorie . In der speziellen Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum immer c, unabhängig vom Bezugssystem der Messung.

Auch der klassische Elektromagnetismus, Licht, entsteht aus einem Zusammenfluss der quantenmechanischen Bestandteile, die Photonen sind und keine Masse haben. Ein Photon, das auf das Baryzentrum der Sonne zielt, wird vom Gravitationsfeld der Sonne angezogen, aber die Wirkung ist keine Änderung der Geschwindigkeit, sondern seiner Energie$E=h\nu$und daher erhöht die zusätzliche Energie die Frequenz, während die Geschwindigkeit bei bleibt$c$.

In Einsteins Aufsatz von 1911 „Der Einfluss der Gravitation auf die Ausbreitung des Lichts“ wies er darauf hin, dass nach seiner allgemeinen Relativitätstheorie die von uns aus gesehene Lichtgeschwindigkeit an verschiedenen Orten in einem Gravitationsfeld unterschiedlich ist. Nach dem Huygens-Prinzip bewirkt eine Änderung der Lichtgeschwindigkeit, dass sich die Wellenfront zur Sonne neigt. Der genaue Betrag des abgelenkten Winkels des Sternenlichts, das sich der Sonne nähert, beträgt nach seiner Berechnung 0,85 Bogensekunden (was er später auf 1,75 Bogensekunden korrigierte). Die Krümmung des Lichtweges in der Nähe der Sonne wird also durch die variable Lichtgeschwindigkeit verursacht.