Jika cahaya tidak memiliki massa, mengapa itu dipengaruhi oleh gravitasi?

Cahaya tidak berakselerasi dalam medan gravitasi, yang akan dilakukan oleh massa, karena cahaya memiliki kecepatan yang konstan secara universal. Mengapa pengecualian itu?

Cara lain untuk menjawab pertanyaan ini adalah dengan menerapkan Prinsip Kesetaraan, yang disebut Einstein sebagai "pemikiran paling bahagia" (sehingga Anda tahu itu harus baik). Prinsip kesetaraan mengatakan bahwa jika Anda berada di dalam kotak tertutup di hadapan apa yang disebut Newton sebagai medan gravitasi, maka segala sesuatu yang terjadi di dalam kotak itu harus sama seperti jika kotak itu tidak berada dalam medan gravitasi, tetapi berakselerasi ke atas sebagai gantinya. . Jadi ketika Anda melepaskan bola, Anda bisa membayangkan bola dipercepat ke bawah oleh gravitasi, atau Anda bisa membayangkan segalanya kecuali bola dipercepat ke atas, dan bola itu hanya tertinggal (yang, ironisnya, memeriksa lebih baik dengan tekanan yang Anda bisa mudah mendeteksi pada setiap objek di sekitar Anda yang tidak hadir di bola, termasuk perasaan yang Anda terima dari bawah sekarang).

Mengingat aturan itu, mudah untuk melihat bagaimana cahaya akan dipengaruhi oleh gravitasi - bayangkan saja menyinari laser secara horizontal. Dalam kerangka referensi "tertinggal", kita melihat apa yang akan terjadi - balok akan mulai dari titik yang lebih tinggi dan lebih tinggi secara berurutan, dan bahwa efek peningkatan semakin cepat. Jadi, mengingat kecepatan cahaya yang terbatas, bentuk berkas akan tampak melengkung ke bawah, dan berkas itu tidak akan mengenai titik di dinding kotak yang berhadapan langsung dengan laser. Oleh karena itu, ini juga harus menjadi apa yang dirasakan dari dalam kotak - sinar tidak menyerang titik tepat di seberang laser (karena titik itu semakin tinggi maka titik di seberangnya di mana cahaya dipancarkan), dan jalurnya tampak melengkung ke bawah. Ergo, cahaya "jatuh."

Memang, ini adalah penyederhanaan penting dari Prinsip Kesetaraan - Anda tidak perlu tahu apa substansinya, semua substansi "jatuh sama" karena tidak ada yang terjadi pada substansi, itu hanya konsekuensi dari "ditinggalkan" oleh apa pun yang sebenarnya memiliki kekuatan di atasnya dan sebenarnya mempercepat.

Secara kebetulan, menarik untuk dicatat bahwa bahkan dalam gravitasi Newton, benda tak bermassa akan "jatuh sama" dengan benda bermassa, tetapi untuk melihatnya membutuhkan batas. Cukup jatuhkan bola dalam ruang hampa, lalu bola massa lebih rendah, lalu massa diam lebih rendah. Semua benda jatuh sama di bawah gravitasi Newton. Jadi cukup lanjutkan ke batas nol massa, Anda tidak akan melihat perbedaan di sepanjang jalur batas itu. Namun demikian, gravitasi Newton tidak mendapatkan jawaban yang tepat untuk lintasan cahaya dalam gravitasi, karena fisika Newton tidak memperlakukan kecepatan cahaya dengan benar.

Ada beberapa cara yang bisa dilakukan seseorang untuk mendekati pertanyaan Anda:

Lubang hitam adalah daerah ruang yang telah dideformasi oleh massa yang cukup terkonsentrasi. Gelombang / partikel cahaya selalu bergerak dalam garis lurus dengan kecepatan konstan ( ). Meskipun foton yang mendekati lubang hitam akan terus bergerak dalam garis lurus melalui ruang, ruang itu sendiri telah melengkung sehingga jalur foton akan melengkung.$c$

Sementara foton tidak mempercepat di hadapan gravitasi dengan baik, mereka dipengaruhi oleh cara lain. Secara khusus, foton yang memasuki sumur gravitasi bergeser biru sedangkan foton yang meninggalkan satu bergeser merah. Pergeseran merah / biru ini terjadi karena waktu berlalu lebih lambat dalam gravitasi dengan baik daripada tanpa gravitasi. Namun, dalam semua kerangka referensi, kecepatan cahaya tetap konstan. Ada lebih banyak informasi tentang ini di wiki .

^{Catatan: Pertanyaan awalnya merujuk secara khusus ke lubang hitam. Yang di atas berlaku untuk konsentrasi materi apa pun (di mana lubang hitam adalah contoh ekstrem).}

TL; DR Cahaya dipengaruhi oleh gravitasi karena perjalanan sepanjang ruang-waktu grid dan kelengkungan nya yang IS gravitasi. Ini menjadi sangat terlihat dalam lubang hitam.also: Einstein > Newton

Lubang hitam berwarna hitam karena tidak ada cahaya yang melintasi "Event Horizon" yang dapat lolos lagi. Massa membengkokkan "kisi" ruang-waktu. Cahaya - 2-dimensi berbicara - bergerak di sepanjang lantai grid ruang-waktu dan mengikuti kelengkungannya yaitu turun kerucut yang diciptakan oleh kehadiran massa, dan bergerak di sepanjang jalan terpendek ke arah luar lagi. Ini membuat perjalanan cahaya membutuhkan waktu lebih lama . Sekarang untuk lubang hitam, hal-hal yang lebih ekstrim: Sebuah lubang hitam terbentuk, ketika banyak materi dijejalkan ke ruang yang pada atau lebih kecil dari Radiz Schwarzschild. Radius Schwarzschild dari objek bintang mana pun ditentukan semata-mata berdasarkan massanya. Massa apa pun dengan penolakan yang cukup tinggi berubah menjadi lubang hitam:

r _s = 2 * G / 2 c
Schwarzschild Radius = 2* the gravitational constant / 2 * the speed of light.
Multiply bahwa dengan M, massa sebuah benda di kg dan Anda mendapat r _s untuk massa itu.

Namun untuk memahami bagaimana lubang hitam melengkung sedemikian jauh sehingga mereka tidak membiarkan cahaya lolos, kita harus melihat hanya sebagian kecil dari persamaan Schwarzschild.

Melukis gambar untuk memahami lubang hitam, kita hanya perlu bagian tengah ini:
1) 2) 3) 4) Kami sudah menetapkan r _s sebagai yang Schwarzschild Radius dari objek tertentu, r adalah jari-jari objek bintang. Ketika r menjadi sekecil r _s Anda mendapatkan singularitas ¹ , dan hal aneh mulai terjadi, yang paling penting untuk pertanyaan Ops, yang ruang-waktu kelengkungan pada lubang hitam menjadi tak terbatas (!)
, ini berarti bahwa cahaya apa pun yang memotong cakrawala peristiwa di titik mana pun akan membutuhkan waktu tak terbatas untuk melakukan perjalanan melintasi corong lubang hitam. Bahkan pada sudut yang sangat datar relatif terhadap cakrawala peristiwa, di mana hanya sedikit menyodoknya, ia hilang karena teori himpunan mengajarkan kita: setiap himpunan tak terhingga juga tak terhingga.

Berikut adalah beberapa visualisasi tambahan:
Gravitasi kerucut ruang-waktu bumi:

Corong ruang-waktu gravitasi lubang hitam:

1) Singularitas: Singularitas pada dasarnya adalah, dalam istilah kalkulus / aljabar, tepat ketika Anda membaginya dengan nol (yang tidak akan pernah Anda lakukan!). Singularitas 2D mungkin terlihat seperti ini: f(x) = 1/x(singularitas ada di tengah di x = 0).

Singularitas 3D dapat terlihat seperti ini / \, singularitas pada x = 1 (ini adalah fungsi Riemanns zeta).

Akselerasi tidak relevan di sini. Setiap gravitasi yang diberikan memiliki kecepatan lepas yang pasti. Partikel lebih cepat daripada kecepatan yang keluar dari sumur, partikel lebih lambat tidak. Definisi lubang hitam adalah sumur gravitasi (lubang) di mana kecepatan lepas melebihi 'c' kecepatan partikel cahaya, jadi menurut definisi, cahaya tidak bisa lepas dari lubang, menjadikannya 'hitam'.

Jika cahaya tidak memiliki massa, mengapa itu dipengaruhi oleh gravitasi?

Karena cahaya memiliki sifat gelombang, dan medan gravitasi adalah tempat di mana kecepatan cahaya bervariasi. Jadi kurva cahaya ke bawah. Ini agak seperti cara gelombang sonar cenderung melengkung ke bawah di laut:

^{Gambar dari FAS dan Angkatan Laut AS, lihat kursus ES310 bab 20}

Cahaya tidak mempercepat akselerasinya, yang akan dilakukan oleh massa, karena cahaya memiliki kecepatan konstan universal. Mengapa pengecualian itu?

Itu tidak benar, saya takut. Lihat apa yang dikatakan Einstein:

1912 : "Di sisi lain saya berpandangan bahwa prinsip keteguhan kecepatan cahaya dapat dipertahankan hanya sejauh seseorang membatasi diri pada daerah spatio-temporal yang memiliki potensi gravitasi konstan".

1913 : “Saya sampai pada hasil bahwa kecepatan cahaya tidak dapat dianggap independen dari potensi gravitasi. Jadi prinsip kekonstanan kecepatan cahaya tidak sesuai dengan hipotesis kesetaraan ”.

1914 : "Dalam kasus di mana kita menjatuhkan dalil tentang kekonstanan kecepatan cahaya, di sana ada, apriori, tidak ada sistem koordinat istimewa."

1915 : "penulis garis-garis ini berpendapat bahwa teori relativitas masih perlu digeneralisasi, dalam arti bahwa prinsip keteguhan kecepatan cahaya harus ditinggalkan".

1916 : “Di tempat kedua, hasil kami menunjukkan bahwa, menurut teori relativitas umum, hukum keteguhan kecepatan cahaya dalam vakum, yang merupakan salah satu dari dua asumsi mendasar dalam teori relativitas khusus dan yang kami sudah sering merujuk, tidak dapat mengklaim validitas tanpa batas ”.

1920 : “Kedua, konsekuensi ini menunjukkan bahwa hukum keteguhan kecepatan cahaya tidak lagi berlaku, menurut teori relativitas umum, dalam ruang yang memiliki medan gravitasi. Seperti yang ditunjukkan oleh pertimbangan geometris sederhana, kelengkungan sinar cahaya hanya terjadi di ruang di mana kecepatan cahaya bervariasi secara spasial ”.

Einstein juga berbicara tentang "pembiasan sinar cahaya oleh medan gravitasi" . Begitu juga Newton, lihat Opticks kueri 20: “Janganlah media menengah ini mengeluarkan air, kaca, kristal, dan benda padat dan padat lainnya di ruang kosong, tumbuh lebih padat dan lebih padat dengan derajat, dan dengan itu berarti membiaskan sinar dari cahaya tidak dalam satu titik, tetapi dengan menekuknya secara bertahap dalam garis kurva? ” Ini benar-benar pembiasan, dan pelensaan gravitasi adalah ungkapan yang tepat. Juga lihat bagian GR dari Apakah Kecepatan Cahaya Di Mana Saja Sama? Ini adalah artikel PhysicsFAQ oleh editor Don Koks. Dia berbicara tentang Einstein dan refraksi, dan mengatakan ini:"Cahaya mempercepat ketika naik dari lantai ke langit-langit, dan ia melambat ketika turun dari langit-langit ke lantai; ini tidak seperti bola yang melambat di jalan naik dan berjalan lebih cepat di jalan turun". Bukankah itu menarik?

Banyak orang akan memberi tahu Anda bahwa kurva ringan "karena mengikuti lengkungan ruangwaktu" , tetapi itu juga tidak benar. Lengkungan ruangwaktu dikaitkan dengan gaya pasang surut, bukan gaya gravitasi. Lihat artikel "detektif fisika" saya tentang kecepatan cahaya dan bagaimana gravitasi bekerja untuk detail dan referensi.