Почему гравитация влияет на свет
Перейти к содержимому

Почему гравитация влияет на свет

  • автор:

4/8: Взаимодействие света и гравитации

Продолжаю рассказывать про то, что я вычитал в «Краткой истории времени» Стивена Хокинга. Это четвёртая часть рассказа.

В Ньютоновской механике получается, что гравитация действует мгновенно и на любом расстоянии: если сдвинуть один объект, то сила, действующая на второй изменится мгновенно. Но тогда получается, что один объект действует на другой со скоростью выше скорости света, а это противоречит принципу инвариантности законов природы относительно любой системы отсчёта.

Общая теория относительности

В 1915 году Эйнштейн предложил общую теорию относительности. Он предположил, что гравитация — это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как считалось ранее. Оно искривляется распределёнными в нём массой и энергией. Такие тела, как Земля, не принуждаются двигаться по искривлённым орбитам гравитационной силой; они движутся по линиям, которые в искривлённом пространстве более всего соответствуют прямым в четырёхмерном пространстве-времени. То есть масса Солнца так искривляет пространство-время, что, хотя в четырёхмерном пространстве Земля движется по прямой, в нашем трёхмерном пространстве она движется по круговой орбите.

Теория Эйнштейна предсказывала траектории планет почти как по теории Ньютона, но не совсем. Более точные измерения показали верность теории Эйнштейна.

Масса отклоняет траекторию света

С точки зрения физиков того времени гравитация вообще не должна влиять на свет. Гравитация — это сила, пропорциональная массам объектов, а у света нет массы. Общая теория относительности предсказывала, что тяжёлые объекты, типа Солнца, должны отклонять свет от звёзд, проходящих близко к нему. В обычных условиях Солнце ярко светит и разглядеть за ним звёзды не получается, но во время солнечного затмения этот эффект должен быть виден. В итоге эксперименты это подтвердили.

Масса искажает течение времени

Общая теория относительности предсказывала, что вблизи массивных объектов, типа Земли время должно течь медленнее, чем на орбите. Это следует из того, что должно соблюдаться определённое соотношение между энергией света и его частотой (то есть числом световых волн в секунду): чем больше энергия, тем выше частота. Если свет распространяется вверх по гравитационному полю Земли, то он теряет энергию, а потому его частота уменьшается. (То есть увеличивается интервал между гребнями двух соседних волн). Наблюдателю на большой высоте должно казаться, что внизу всё происходит чуть-чуть медленее.

В 1962 году это было проверено экспериментально. А сейчас это становится важно при работе геопозиционирования по сигналам со спутников GPS и Глонасс. Если не делать поправки на эффекты теории относительности, то координаты будут рассчитаны с ошибкой в несколько километров.

Я даже могу представить себя на месте программиста чипа GPS в смартфоне, который проклинает Эйнштейна с его теорией относительности, из-за которых у него координаты глючат 🙂

Фотка с телефона по запросу четырёхмерное пространство-время

Все части серии

  1. Эволюция представлений об устройстве Вселенной
  2. Неабсолютное пространство
  3. Неабсолютное время
  4. Взаимодействие света и гравитации
  5. Предельная скорость перемещения в пространстве
  6. Большой взрыв, большое схлопывание и тепловая смерть
  7. Жизненный цикл звёзд и чёрные дыры
  8. Квантовая физика и вероятностный мир

Где купить книгу

— Бумажную — на Озоне, я читал её,
— электронную — на Литресе,
— аудиоверсии пока нет.

Как получать свежие посты

— Электронная почта и РСС — туда попадают только посты в блог,
— телеграм-канал, фейсбук и твиттер — туда попадают заинтересовавшие меня ссылки с короткими комментариями,
— инстаграм — туда иногда выкладываю фотки.

Как гравитация влияет на свет: теория относительности Эйнштейна объясняет этот феномен

Гравитация влияет на свет и наоборот

Один из самых загадочных вопросов в физике – почему гравитация, сила, влияющая на объекты, имеющие массу, также, кажется, влияет на свет, не имеющий массы. Этот парадокс озадачивал ученых десятилетиями, но ответ лежит в общей теории относительности Эйнштейна.

Поделиться

Как ведет свет

В повседневной жизни мы наблюдаем, как свет двигается по прямым линиям, не подвергаясь влиянию гравитации. Мы видим, как оно преломляется при прохождении через границу между двумя средами, например воздухом и водой. Именно поэтому предметы, такие как соломинка в стакане с водой, кажутся изогнутыми. Однако это преломление, как объясняет 24 Канал, происходит не под действием гравитации, а скорее под действием электромагнитных сил.

Но когда свет проходит вблизи массивных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры, он искривляется, как объясняет общая теория относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, искажение пространства-времени, вызванное гравитацией, влияет на траекторию движения объектов, в том числе и света. Вместо того чтобы двигаться вдоль прямых линий, объекты, в том числе свет, двигаются вдоль специальных «линий», которые называются геодезическими линиями, в искривленном пространстве-времени.

Поскольку свет также двигается вдоль геодезических линий, его путь также искривляется под действием гравитации, несмотря на то, что он не имеет массы. Эта концепция бросает вызов нашему традиционному пониманию гравитации как силы, влияющей только на объекты, имеющие массу.

Свет тоже может влиять на объекты

Недавние исследования предполагают, что свет также может искажать пространство-время подобно массивным объектам. Это явление известно как само гравитация света. Идея состоит в том, что поскольку электромагнитные волны, включая свет, имеют энергию и импульс, они также должны искажать пространство-время, хотя и небольшим и своеобразным способом.

Как следствие, искажение пространства-времени, созданное светом, может влиять на распространение самого света, как и предполагают уравнение общей теории относительности.

Эта поразительная концепция проливает новый свет на наше понимание гравитации и ее взаимодействия со светом. Она бросает вызов нашим традиционным представлениям о массе и гравитации и открывает новые возможности для исследования тайн Вселенной. Ученые продолжают изучать это явление, проводя эксперименты и наблюдения, чтобы раскрыть еще большее количество тонкостей воздействия гравитации на свет.

Итак, хотя свет не имеет массы, на него все равно влияет гравитация из-за искажения пространства-времени, вызванного массивными объектами. Общая теория относительности Эйнштейна обеспечивает основу для понимания этого явления, а недавние исследования показывают, что свет сам по себе может способствовать искажению пространства-времени.

ГРАВИТАЦИЯ ВЛИЯЕТ НА СВЕТ?

ГРАВИТАЦИЯ ВЛИЯЕТ НА СВЕТ?

Самой совершенной теорией, которая описывала бы движения сквозь пространство-время , является специальная теория относительности. Но даже сам Эйнштейн не считал её доскональной и имел на это две причины. Первая — это предположение про недостижимость скорости света, а вторая — правдивость теории только для объектов, которые движутся равномерно, без ускорения, с постоянной скоростью. Значительную роль в этом играет гравитация.
Для начала разберемся, что такое гравитация. Это характеристика, которая указывает взаимодействие тел, обладающих хоть каким-то весом. Она искривляет пространство, заставляя объекты двигаться не по прямой линии. Но как мы знаем, фотоны — это частички, которые не имеют массы, а следовательно и гравитация не должна на них влиять, но она влияет! Почему? Появляются два предложения: либо масса фотона не равна нулю, либо гравитация не зависит от наличия масс тел. Дело в том, что фундаментальным во Вселенной есть масса и энергия, а у фотонов отсутствие массы покоя объясняется полным преобразованием возможной массы в энергию.
Но есть ещё одно. Принцип эквивалентности. Если его учитывать, то вполне легко можно увидеть влияние гравитации на свет: представьте, что вы летите с ускорением вверх на воздушном шаре, возле огромной стены, а в руках у вас фонарик, который пробивается сквозь корзину лучом света. И уже к тому моменту, как луч достигнет стены, точка, куда дошел свет, окажет ниже уровня корзины, ведь мы летели вверх. Следовательно, и траектория луча фонарика будет представлять собой ветку параболы. Принцип эквивалентности показывает нам, что и при движении шара вверх с ускорением, и при его нулевой скорости луч будет искривляться, что и доказывает существование гравитационные поля в особенности для фотонов света.

«Угол обзора» ближе к читателю!

Все новости Бессарабии и Украины здесь и сейчас:

✅ Стань частью нашего сообщества в facebook и пригласи друзей!

✅ Кратко и по сути. Подписывайтесь на наш Telegram-канал

✅ Поддержи нас в Instagram

Влияет ли гравитация на свет?

Очень интересное явление, которое известно физикам — это искажение света от далекого источника в кольцо. Образно говоря, наблюдатель видит не точку, а ещё и круг, хотя источник света на таком расстоянии должен был быть виден именно как точечка.

Вот так выглядит кольцо Эйнштейна в космосе. Снимок с телескопа Хаббл из Википедии.

Существование эффекта важно для нас, как минимум, по двум причинам:

  • Во-первых, это просто очень красиво
  • Во-вторых, факт появления кольца объясняется гравитационным линзированием, а это уже очень значимое для науки явление, которое говорит, что луч света можно исказить гравитацией. Значит, частицы, из которых состоит луч (если, конечно, исходить из дуализма), могут оказаться в действии гравитационного поля массивного объекта. Но, обо всём по порядку. Читайте материал до конца и мы вместе разберемся с этой штукой.

Предположения Эйнштейна

Ещё до того, как Эйнштейн выдвинул свои мысли касательно зависимости всего на свете от единственной постоянной — скорости света — он предположил, что сам по себе световой луч может быть искажен воздействием гравитационного поля.

Главное противоречие тут известно. По идее, гравитация может воздействовать только на объекты, обладающие массой (тут советую прочитать эту мою статейку). С массой фотона всё очень интересно. Это довольно спорная территория и согласно некоторым мнениям, фотон массой не обладает. Этот довод звучит логично. Ведь в противном случае, он бы не смог двигаться со скоростью света. Она достижима для фотона и только для него, потому что массы у фотона нет. Если бы у него была масса, то потребовалась бы бесконечная энергия для его разгона до скорости света. Советую здесь изучить эту статью.

Предположение строилось на том, что гравитация воздействует ни на поток световых частиц, а искривляет само пространство. Ну а так как свет распространяется в некотором пространстве, то вместе с искривлением пространства искажается и световой луч.

Был и ещё один взгляд на проблему. Если свет притягивался планетами, то его скорость должна была бы уменьшаться. Это, в общем-то, тот же самый вопрос, что обсуждался чуть выше, но с другой стороны. Но тут ответ сформулировался довольно интересно. Свет движется по прямым линиям в неевклидовых кривых (это не прямая клетка) пространства-времени, которые составляют нашу вселенную. По сути просто признается, что гравитация искажает пространство, а свет идёт по линиям искажения как поезд по рельсам и уже не замедляется.

Гравитация искажает световой луч

Прошло время и факт того, что гравитация действительно искривляет свет стал чем-то более менее обыденным. Информацию об этом можно найти в любом учебнике астрономии. Полезно знать, что на свет оказывает некоторое влияние и магнитное поле. Об этом я рассказывал тут.

Предположения Эйнштейна оправдались и появился такой термин, как кольцо Эйнштейна. Так астрономы назвали интересный эффект появления круга вокруг наблюдаемого источника свечения, если на одной прямой есть массивный объект, обладающий собственным гравитационным полем.

Объяснено появление такого круга было фактом гравитационного линзирования. Ну а само линзирование объяснялось тем, что гравитационное поле планеты искажает пространство, в котором распространяется свет.

Это не совсем-таки линзирование в оптическом смысле этого слова. Свет не проходит через оптическую линзу, а искажается полем. Линзированием эффект был назван по аналогии поведения луча света рядом с такой «линзой».

Кстати говоря, эффект вполне себе известный и в более «земных» условиях. Например, электронный микроскоп включает в свою конструкцию так называемые магнитные линзы. Они отклоняют поток электронов в колонне микроскопа и позволяют фокусировать пучки на изучаемом объекте. Или даже лучше сказать — управлять пучками.

Для науки это явление имеет большую значимость по той простой причине, что факт отклонения лучей посредством гравитации — это очень важное обстоятельство, которое следует учитывать не только физикам-теоретикам или астрономам, но и инженерам при проектировании оборудования. Свет отклоняется гравитационным полем и это уже данность, которая получила подтверждение со стороны ученых и была запечатлена в виде кольца Эйнштейна.

Обязательно подписывайтесь на мой Telegram и читайте ещё больше статей, которые выходят только в телеге.

�� Все новые статьи выходят в ДЗЕНе проекта, а некоторые публикуются только там. Подписывайтесь, будет интересно!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *