Werden Photonen im Gravitationsfeld der Sonne so stark abgebremst?

Ich habe gerade gehört, dass jemand erwähnt hat, dass Photonen 40.000 Jahre brauchen, um vom Zentrum der Sonne zu ihrer Oberfläche zu gelangen, die ungefähr 700.000 Kilometer entfernt ist. Wie ist das möglich, wenn die Licht-/Photonengeschwindigkeit 300.000 km/Sekunde beträgt?

Das hat nichts mit der Schwerkraft zu tun – sie hüpfen einfach herum.
Ich habe einmal die Zeit geschätzt, die ein bestimmtes bisschen Energie benötigt, um der Sonne zu entkommen, indem ich die gesamte thermische Energie der Sonne und die Leuchtkraft der Sonne verwendet habe. Ich bekam eine Antwort von 26 Millionen Jahren. Andere meinten, dass meine Methodik nicht gut sei, aber ich habe ihre Argumentation nie verstanden. Der Thread befindet sich unter folgendem Link, falls jemand meine Methode sehen möchte. Danke! physical.stackexchange.com/questions/364765/…
Als quantitativen Aspekt zu jeder Antwort, die sagt "Schwerkraft spielt keine große Rolle", habe ich berechnet (Plugging D θ = D ϕ = D τ = 0 in die innere Schwarzschild-Metrik und Integrieren, um die Änderung der Koordinatenzeit zu finden T für einen Weg von R = 0 Zu R = R G ), dass Licht aus dem Zentrum der Sonne ca. 3,28 Sekunden, um die Sonnenoberfläche zu erreichen (wenn sie nicht absorbiert wurde), was etwa 41,4 % länger ist, als wenn die Sonne keine Masse hätte. Messbar? Vielleicht. Aber es ist nicht die Hauptverzögerung.
Beantwortet das deine Frage? Von der Sonne geformtes Licht?

Antworten (4)

Nun, Photonen bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum und in diesem Fall zwischen Teilchenkollisionen - siehe unten) herum 3 × 10 8   M / S und sie werden in diesem Szenario verlangsamt, aber nicht so, wie Sie denken, und nicht wegen des Gravitationsfeldes der Sonne.

Sie sollten auch beachten, dass das im Zentrum der Sonne emittierte Photon und das an der Sonnenoberfläche austretende Photon nicht "dasselbe" Photon sind.

Da die Sonne sehr dicht ist, wird ein am Kern emittiertes Photon fast sofort von einem anderen nahe gelegenen Proton absorbiert, und das Proton vibriert und sendet dann ein weiteres Photon in einer zufälligen Richtung erneut aus. Dies geschieht immer und immer wieder Billionen von Billionen Mal, so dass Tausende von Jahren vergangen sind, bis es die Sonnenoberfläche erreicht. Dieser Vorgang wird durch einen sogenannten Random Walk beschrieben .

Die Entfernung, die ein Photon zurücklegen kann, bevor es absorbiert wird, wird durch die sogenannte mittlere freie Weglänge und durch die Relation angegeben

l = 1 σ N

(aus Wiki) "wo N die Anzahl der Zielpartikel pro Volumeneinheit ist und σ ist die effektive Querschnittsfläche für Kollisionen."

Wie Sie erkennen können, wird die Anzahl der Zielteilchen (Protonen) erheblich hoch sein, was diese Entfernung extrem klein macht, so dass das Photon effektiv eine „große Entfernung“ vom Kern der Sonne bis zu ihrer Oberfläche zurücklegt, was Tausende von Jahren dauert. Dann sind Sie in schlappen 9 Minuten bei uns!

„sind nicht das „gleiche“ Photon“, aber in den statistischen Modellen, die uns die Zeit angeben, die es braucht, um die Oberfläche zu erreichen, wird „angenommen“, dass es dasselbe Photon ist. In Wahrheit ist es Energie, die von den virtuellen Photonen in Millionen von Wechselwirkungen mitgenommen wird und nach langer Zeit die Sonnenoberfläche erreicht.
Ja, aber das ist es nicht, oder? Ich denke, dieser Punkt sollte gemacht werden, da das OP der Meinung war, dass ein emittiertes Photon ungehindert vom Zentrum nach außen wandert.
a) Würden die Photonen nicht sowohl an Protonen als auch an Elektronen (und gelegentlich an Helium- oder Deuteriumkernen) streuen? b) Ich denke nicht, dass "das Proton schwingt" eine sehr genaue Beschreibung in einem Plasma ist, da es keine "Schwingungs" -Freiheitsgrade gibt.
@Drjh Die Sprache funktioniert für Quanten nicht wirklich gut. Photonen (genauso wie Elektronen etc.) haben keine Identität; "dasselbe Photon" ist im Grunde bedeutungslos, sobald Sie die Fähigkeit verlieren, "einzelne" Photonen zu faktorisieren. Aber wir können definitiv einige interessante Dinge über das „Photon, das von einer Fusionsreaktion im Kern der Sonne emittiert wird“ und das „Photon, das von der Photosphäre emittiert wird“ sagen – am offensichtlichsten haben sie sehr unterschiedliche Energien, eine zufällige Richtung und es gibt noch viel mehr „Photosphären-Photonen“. als es "Fusionsphotonen" gibt (es gibt also definitiv keine 1: 1-Beziehung).
@Drjh Ich denke, "hauptsächlich Protonen" zu sagen, ist ziemlich falsch. Betrachten Sie das stellare Opazitätsmodell in arxiv.org/abs/1601.01930 Photon-Proton-Streuung wird überhaupt nicht berücksichtigt. Vielleicht denken Sie an Frei-Frei-Streuung an ungebundenen Proton-Elektron-Dipolen?
Bei solchen Antworten besteht eine echte Gefahr. Die richtige Antwort auf die gestellte Frage wäre "Ah, die 40.000 Jahre, von denen Sie gehört haben, haben absolut nichts mit der Schwerkraft zu tun, wie Sie in Ihrer Frage fragen. Es ist ein völlig unabhängiger Effekt." Man könnte dann sicherlich (wie in dieser hervorragend geschriebenen Antwort) diesen anderen Effekt erklären . Aber die eigentliche Antwort auf die Frage lautet: "Das hat nichts damit zu tun".
Nein, die Sonne ist nicht extrem dicht. Die Druck- und Temperaturbedingungen im Zentrum der Sonne sind ziemlich extrem, und die Dichte ist ziemlich beeindruckend, wenn man bedenkt, dass die Sonne hauptsächlich aus Wasserstoff (Plasma) besteht, der unter "normalen" Bedingungen eine sehr hohe Dichte aufweist geringe Dichte, aber absolut gesehen hat die Sonne eine geringe Dichte. Tatsächlich hat der Mond etwa die dreifache Dichte der Sonne, eine Tatsache, die angesichts des merkwürdigen Zufalls, dass Sonne und Mondscheiben von der Erde aus gesehen fast genau die gleiche Größe haben, erklärt, warum der Mond eine stärkere Gezeitenwirkung hat als die Sonne .
Wie viel Zeit vergeht, bis ein Teilchen das Photon absorbiert und dann ein „neues“ emittiert? Das heißt, wie viel von den 40.000 Jahren ist auf die Länge des tatsächlich zurückgelegten Weges zurückzuführen, und wie viel Geld wird dafür aufgewendet, bei allen Teilchen auf dem Weg "anzuhalten"?
@MarcvanLeeuwen ist der erhöhte Gezeiteneffekt nicht eher darauf zurückzuführen, dass die Stärke der Schwerkraft umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen zwei Objekten ist?
@TCooper Nein, denn wenn das wahr wäre, würde die Sonne den Mond leicht schlagen, so wie es ist P mal so weit weg, P mal die lineare Größe, und so P 3 mal so umfangreich, für einen großen Faktor P der Verhältnismäßigkeit (ich schätze ca 300 , dachte, ich müsste die Nummern überprüfen). Der Gezeiteneffekt ist jedoch proportional zur Ableitung der vektorbewerteten Gravitationsstärke (oder genauer der Beschleunigung), die einem inversen Würfelgesetz folgt . Dadurch wird der Volumeneffekt genau aufgehoben, sodass nur die Dichte übrig bleibt.
Das ist sehr interessant. Ehrlich gesagt kann ich nicht folgen und muss nachlesen, also danke fürs Teilen. Ich habe mich nur auf altes Grundschulwissen bezogen ... Ich habe Gravitation immer als ein Verhältnis von Masse und Entfernung verstanden. Volumen oder Dichte überhaupt nicht berücksichtigen (stark vereinfacht), obwohl ich Folgendes gefunden habe: oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_tides/… Ist es einfach so, dass die Noaa ihre Website aktualisieren müssen?
@Tcooper, das wäre eine gute Frage für diese Seite.
@TCooper Die Website der NOAA sieht für mich in Ordnung aus; Ich denke, es hat einfach eine andere Art, die Dinge zu erklären. Weitere Diskussion zu dieser Frage: physical.stackexchange.com/questions/595071/…
Meinen Sie damit, dass sich die Photonen zwischen Teilchenkollisionen mit Vakuumlichtgeschwindigkeit fortbewegen? Das geht aus der Schreibweise nicht hervor. Kannst du es umformulieren, um es klarer zu machen?
@TCooper. Die Abhängigkeit der Gezeiteneffekte von der Ableitung der Gravitationskraftfunktion mit der Entfernung kann verstanden werden, indem man erkennt, dass der Gezeiteneffekt von der Differenz der Gravitationseffekte abhängt, die auf der nahen und der hinteren Seite der Erde erfahren werden. Es ist die Änderungsrate der Schwerkraft über die Entfernung, die vom Durchmesser der Erde begrenzt wird, die zählt.

Die Schwerkraft hat damit wenig zu tun. Die Sonne ist ein dichtes Plasma, und Plasmapartikel streuen Photonen (sowohl elastisch als auch unelastisch). Das Photon bewegt sich also nicht geradlinig vom Zentrum zur Oberfläche.

Ich sollte klarstellen, dass das Gravitationsfeld die Wellenlänge des Lichts (folglich den Impuls des Photons im Vakuum) ändert, aber seitdem nicht die Geschwindigkeit des Photons

P = ℏ λ
und die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bleibt nach dem Relativitätsprinzip absolut.

Der Grund für die scheinbare Verlangsamung der Lichtgeschwindigkeit in der Sonne wird ausführlich in den vorherigen Antworten erläutert.

Sicher, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist lokal immer gleich , aber der Unterschied zwischen Bezugsrahmen in verschiedenen Gravitationsfeldern gleicht einen totalen Geschwindigkeitsunterschied aus. Nicht, dass dies bei der Sonne der Fall wäre, aber Licht von einem sehr dichten Neutronenstern kann von dem Zeitpunkt, an dem es die Oberfläche verlässt, bis es einen weit entfernten Beobachter erreicht, erheblich verzögert werden.
Ja, die Shapiro-Verzögerung kann für Strahlen gemessen werden, die nahe an der Sonne vorbeigehen, aber sie sollte vor dem Streueffekt vernachlässigbar sein. Danke @Ivella

So lange braucht die im Kern erzeugte Energie, um an die Oberfläche zu gelangen. Es ist nicht dasselbe Photon, das so lange braucht. Photonen werden ständig emittiert und absorbiert, und die Energie verbringt auch Zeit als kinetische Energie der Elektronen und Protonen im Plasma.

Der Kern wird heiß. Es dauert 40.000 Jahre (oder was auch immer die korrekte Zahl sein mag), bis es abgekühlt ist und sich seinen Weg durch den gesamten Großteil des Sonnenmaterials gebahnt hat.

Was ist "es" in "...40.000 Jahren (oder was auch immer die richtige Zahl sein mag) damit es abkühlt" ? Ein einzelnes Molekül, das sich zufällig im Kern befindet? Ein im Kern ausgehendes Photon (durch Fusion)? Etwas anderes? Es kann nicht der Kern selbst sein.
Ja, der Kern selbst. So lange braucht Energie, um die Oberfläche zu erreichen.
Werden Photonen im Gravitationsfeld der Sonne so stark abgebremst?
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