Apakah gravitasi melambat atau mempercepat?

Kecepatan cahaya dalam ruang hampa mungkin merupakan kecepatan tercepat yang mungkin.

jika gravitasi membengkokkan arah cahaya, apakah ini menyiratkan bahwa gravitasi memperlambat cahaya sehingga bergerak pada kecepatan yang lebih lambat? Jika itu mempengaruhi jalannya, mengapa gravitasi tidak dapat memengaruhi kecepatannya - atau apakah itu?

Dan jika gravitasi benar-benar memengaruhi kecepatan cahaya, apa yang dikatakan tentang pengukuran kita terhadap jarak ke objek yang teramati paling jauh? Bisakah kita berasumsi bahwa semua efek gravitasi di 15 miliar tahun cahaya bahkan keluar? Atau apakah jarak aktual melintasi jagad raya yang teramati tunduk pada variasi yang tidak diketahui karena efek gravitasi?

Seperti kata Walter, gravitasi tidak membelokkan cahaya. Cahaya berjalan di sepanjang geodesik nol, jenis jalur lurus tertentu. Karena (affine) geodesik tidak mengubah arah menurut definisi, lintasan cahaya geometris lurus. Selain itu, kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah$c$ di setiap kerangka inersia, terlepas dari apakah ruangwaktu melengkung atau tidak, meskipun kerangka inersia ruangwaktu melengkung hanya bisa bersifat lokal.

Namun, yang bisa berubah adalah kecepatan cahaya koordinat . Karena koordinat hanyalah label untuk peristiwa ruangwaktu, ini benar bahkan dalam ruangwaktu sepenuhnya datar. Misalnya, dalam bagan koordinat Rindler, metrik Minkowski ruangwaktu datar mengambil bentuk

$$\mathrm{d}s^2 = -\frac{g^2x^2}{c^2}\,\mathrm{d}t^2 + \underbrace{\mathrm{d}x^2 + \mathrm{d}y^2 + \mathrm{d}z^2}_{\mathrm{d}S^2_\text{Euclid}}\text{,}$$ dimana $g$memiliki unit akselerasi. Karena cahaya bergerak sepanjang nol ($\mathrm{d}s^2 = 0$) Wordlines, kecepatan koordinat cahaya adalah $$\frac{\mathrm{d}S}{\mathrm{d}t} = \frac{|gx|}{c}\text{,}$$ yang tergantung pada posisi dan bahkan bisa $0$, karena ada horizon peristiwa yang jelas. Seorang pengamat yang diam di koordinat Rindler sebenarnya memiliki akselerasi yang tepat$g$, sehingga grafik Rindler dari ruangwaktu datar adalah analog alami dari "medan gravitasi seragam".

jika gravitasi membengkokkan arah cahaya, apakah ini menyiratkan bahwa gravitasi memperlambat cahaya sehingga bergerak pada kecepatan yang lebih lambat?

Tidak, tapi yang bisa kita katakan adalah ini. Untuk medan gravitasi yang lemah dan berubah perlahan, metrik berikut ini cocok untuk menggambarkan ruangwaktu dalam kaitannya dengan potensi gravitasi Newton$\Phi$:

$$\mathrm{d}s^2 = -\left(1+2\frac{\Phi}{c^2}\right)c^2\,\mathrm{d}t^2 + \left(1-2\frac{\Phi}{c^2}\right)\,\mathrm{d}S^2\text{,}$$ seperti yang kita dapat dengan mudah menghitung kecepatan cahaya koordinat (lagi $\mathrm{d}s^2 = 0$): $$\frac{\mathrm{d}S}{\mathrm{d}t} = c\sqrt{\frac{1+2\Phi/c^2}{1-2\Phi/c^2}}\text{,}$$ dan dengan memperluas resiprokalnya dalam seri Taylor-MacLaurin, kami menemukan bahwa cahaya bergerak " seolah-olah " kami memiliki indeks refraksi $$n = c \frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}S} \approx 1 - 2\frac{\Phi}{c^2} + \mathcal{O}\left(\frac{\Phi^2}{c^4}\right)\text{.}$$

Jika kita ingat bahwa kita hanya berurusan dengan kecepatan cahaya koordinat, maka ya, kita dapat mengatakan bahwa gravitasi (lebih tepatnya, potensi gravitasi) memperlambat cahaya. Cara lain untuk berpikir adalah seperti ini: jika kita berpura-pura sedang berhadapan dengan ruangwaktu Minwkoski datar biasa dalam koordinat inersia yang biasa, maka kita memerlukan media dengan indeks bias di atas untuk mereproduksi lintasan cahaya. Tetapi tentu saja mengambil ini secara harfiah tidak sah, karena (1) metrik mempengaruhi lebih dari penyebaran cahaya, dan (2) interpretasi seperti itu akan gagal menjelaskan pergeseran merah gravitasi.

Pendekatan terakhir secara moral mirip dengan apa yang dijelaskan dalam jawaban Walter, karena itu tergantung pada perbandingan hipotetis dengan ruangwaktu datar. Perbedaannya adalah bahwa dengan membatasi diri untuk berbicara tentang apa yang terjadi jauh dari benda-benda gravitasi, Walter dapat menghindari masalah pergeseran merah gravitasi, tetapi kemudian tidak dapat menganggap indeks bias lokal apa pun (di sisi positifnya, pendekatannya tidak terbatas pada lemah, perlahan-lahan). mengubah gravitasi).

Dan jika gravitasi benar-benar memengaruhi kecepatan cahaya, apa yang dikatakan tentang pengukuran kita terhadap jarak ke objek yang teramati paling jauh? Bisakah kita berasumsi bahwa semua efek gravitasi di 15 miliar tahun cahaya bahkan keluar?

Model-model kosmologis kita menganggap bahwa alam semesta pada skala besar homogen dan isotropik, sebuah asumsi yang didukung oleh pengamatan bagian-bagiannya yang dapat kita lihat. Di alam semesta yang homogen dan isotropik, cukup mudah untuk menjelaskan bagaimana perilaku cahaya ketika melewatinya. Jadi tidak, kita tidak perlu berasumsi bahwa efek gravitasi keluar sendiri - sebaliknya, kita menggunakan efek gravitasi pada cahaya agar sesuai dengan parameter model kita.

Gravitasi tidak memengaruhi kecepatan cahaya. Ini mempengaruhi geometri ruang-waktu dan karenanya jalur cahaya. Namun, ini dapat memiliki efek yang serupa.

Cahaya dipancarkan pada sumbernya $S$ untuk melewati objek besar $M$yang sangat dekat pada jalan lurus sebaliknya (jika M tidak ada) ke pengamat$O$ harus "berkeliling" $M$, yang membutuhkan waktu lebih lama daripada mengikuti jalan lurus tanpa adanya $M$. Cahaya yang mencapai$O$ dari $S$ tidak dipancarkan dari $S$ di "lurus" (tanpa adanya $M$) arah ke $O$, tetapi sedikit dari arah itu, sehingga "membengkokkan" jalannya oleh gravitasi $M$ "mengalihkan" ke $O$.

Tentu saja, cahaya tidak pernah bengkok, tetapi selalu mengikuti jalan yang lurus. Yang dibengkokkan adalah ruang-waktu dibandingkan dengan ruang-waktu Euclidean dengan tidak adanya massa yang menyimpang (lihat: geodesik ). Distorsi dalam struktur ruang waktu ini disebut pelensaan gravitasi .

Ini sulit, terutama karena saya tidak terbiasa memberikan penjelasan dalam istilah non teknis.

Mulai dari atas:

Dengan syarat ya. Di ruang yang paling kosong mungkin - bukan di antara bintang-bintang, bukan di antara galaksi, bukan di antara keluarga galaksi dan sebagainya ..... di ruang yang paling kosong di antara gugusan super gugusan galaksi, ada di tempat tercepat, di mana gravitasi berada pada titik terlemahnya.

Jika Anda punya waktu untuk melakukannya, dan target lubang hitam yang bagus dan menembakkan laser biru tepat di cakrawala acara di satu sisi (katakanlah itu mentransmisikan seluruh karya Shakespeare diikuti oleh sisa proyek Gutenberg) - di sedemikian rupa sehingga menembus sepanjang jalan dan kemudian kembali ke arah Anda, seperti ketapel bulan yang dilakukan orbit pertama bulan, apa yang akan terjadi? Apakah warna cahayanya berubah?

Semakin dekat berkas ke horizon peristiwa, semakin banyak ruang yang direntangkan - pikirkan seperti itu, maka cahayanya harus bergerak lebih jauh, dan hal yang sama terus mengitari lubang hitam - semakin dekat ke cakrawala peristiwa, semakin dalam sumur. , semakin banyak ruang yang diregangkan dan semakin lama cahaya dibutuhkan untuk berkeliling. Dari sudut pandang Anda, lubang hitam adalah jarak X, jalur cahaya yang diambil adalah Y dalam panjang yang jelas. Menggunakan aturan slide berguna Anda, Anda menghitung Menjinakkan shrew harus tiba pada waktu Z.

Itu tidak muncul tepat waktu. Mengapa? Ingat cahaya harus menempuh jalan yang sangat panjang karena kepadatan medan gravitasi membuat perjalanan lebih lama. Kapan itu muncul akhirnya. Apa warnanya? Masih biru - ini tidak tergantung pada apakah lubang hitam bergerak menjauh atau lebih dekat - tidak ada pergeseran merah atau biru. (Saya menjadi sedikit tidak jujur ​​di sini karena panjang gelombang akan bergeser satu menit ke merah - ia melakukan ini saat bergerak, semakin jauh ia semakin bergeser, sebagian dari tabrakan dengan atom mengambang bebas yang menyerap kemudian memancarkan pada frekuensi yang lebih rendah mis. big bang (Sangat panas) - cahaya dari ini memang panjang gelombang yang sangat panjang, (merah bergeser ke ekstrem) tetapi ruang semakin meluas ingat. Singkatnya, entropi tidak dapat dibalik.

Yang aneh adalah jarak yang ditempuh cahaya dari sudut pandang pengamat yang menembak laser, ia akan memperkirakan bahwa gelombang cahaya yang mengandung The Shrew, karena mereka datang sangat terlambat tidak hanya melambat tetapi semakin dekat (biru) bergeser) - tetapi ketika kembali ke pengamat itu hanya warna yang sama seperti sebelumnya. (Space memanjang rupanya, itu akan menjelaskan ini bukan?)

Mengatakan bahwa gravitasi memperlambat cahaya sama dengan mengatakan ketel yang diawasi tidak pernah mendidih, ia memiliki semacam kebenaran padanya dari sudut pandang tertentu - sudut pandang perseptual.

Melihat seluruh alam semesta, ada titik-titik panas dan titik-titik dingin yang terlihat, tempat-tempat dengan semakin banyak materi - ini dapat diamati. Masalah yang kita alami saat ini adalah dengan materi gelap, dan energi gelap.

Kami mulai dengan pengamatan di tata surya kita sendiri. Semua objek yang jauh diukur relatif satu sama lain. Sejumlah besar pengamatan dibuat dari banyak objek, luminositasnya, luminositas agregatnya, pergeseran merah atau biru - dan yang menarik adalah perubahannya dalam pergeseran Doppler. Berbagai jenis bintang yang berbeda, yang berdenyut, bintang yang memancarkan radiasi keras, bintang yang mengorbit bersama segala macam, piringan akresi di pusat galaksi dan suhunya, Akumulasi data sejak Copernicus ini, atau setidaknya sejak Renaissance memiliki semua telah disatukan, menyesuaikan sepanjang jalan dengan mempertimbangkan perubahan paradigma perubahan dunia seperti relativitas, dan kemajuan besar dalam resolusi pengamatan kita terhadap alam semesta, dari platform berbasis darat dan luar angkasa (kami pikir!