La gravità rallenta o la velocità si illumina?

La velocità della luce nel vuoto è presumibilmente la massima velocità possibile.

se la gravità piega il corso della luce, ciò implica che la gravità rallenta la luce in modo che si muova a una velocità inferiore? Se influisce sul suo corso, perché la gravità non può influire sulla sua velocità - o lo fa?

E se la gravità influenza la velocità della luce, che cosa dice delle nostre misurazioni della distanza dall'oggetto più lontano osservabile? Potremmo supporre che tutti gli effetti della gravità su 15 miliardi di anni luce si spengano da soli? Oppure la distanza effettiva attraverso l'universo osservabile è soggetta a variazioni inconoscibili dovute agli effetti della gravità?

Come dice Walter, la gravità non piega la luce. La luce viaggia lungo la geodetica nulla, un particolare tipo di percorso rettilineo. Poiché la geodetica (affine) non cambia direzione per definizione, le traiettorie geometricamente leggere sono diritte. Inoltre, la velocità della luce nel vuoto è$c$ in ogni frame inerziale, indipendentemente dal fatto che lo spaziotempo sia curvo o meno, sebbene i frame inerziali dello spaziotempo curvo possano essere sempre e solo locali.

Ciò che può cambiare, tuttavia, è la velocità delle coordinate della luce. Poiché le coordinate sono solo etichette per eventi spaziotempo, questo vale anche nello spaziotempo completamente piatto. Ad esempio, nel grafico delle coordinate di Rindler, la metrica di Minkowski dello spaziotempo piatto assume la forma

$$\mathrm{d}s^2 = -\frac{g^2x^2}{c^2}\,\mathrm{d}t^2 + \underbrace{\mathrm{d}x^2 + \mathrm{d}y^2 + \mathrm{d}z^2}_{\mathrm{d}S^2_\text{Euclid}}\text{,}$$ dove $g$ha unità di accelerazione. Poiché la luce viaggia lungo il nulla ($\mathrm{d}s^2 = 0$), la velocità delle coordinate della luce è $$\frac{\mathrm{d}S}{\mathrm{d}t} = \frac{|gx|}{c}\text{,}$$ che dipende dalla posizione e può persino esserlo $0$, poiché esiste un orizzonte degli eventi apparente. Un osservatore che è fermo nelle coordinate di Rindler ha effettivamente un'accelerazione adeguata$g$, quindi il diagramma di Rindler dello spaziotempo piatto è un analogo naturale di un "campo gravitazionale uniforme".

se la gravità piega il corso della luce, ciò implica che la gravità rallenta la luce in modo che si muova a una velocità inferiore?

No, ma quello che possiamo dire è questo. Per i campi gravitazionali deboli che cambiano lentamente, la seguente metrica è appropriata per descrivere lo spaziotempo in termini di potenziale gravitazionale newtoniano$\Phi$:

$$\mathrm{d}s^2 = -\left(1+2\frac{\Phi}{c^2}\right)c^2\,\mathrm{d}t^2 + \left(1-2\frac{\Phi}{c^2}\right)\,\mathrm{d}S^2\text{,}$$ come possiamo facilmente calcolare la velocità delle coordinate della luce (di nuovo $\mathrm{d}s^2 = 0$): $$\frac{\mathrm{d}S}{\mathrm{d}t} = c\sqrt{\frac{1+2\Phi/c^2}{1-2\Phi/c^2}}\text{,}$$ e quindi espandendo il reciproco in una serie Taylor-MacLaurin, scopriamo che la luce viaggia " come se " avessimo un indice di rifrazione $$n = c \frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}S} \approx 1 - 2\frac{\Phi}{c^2} + \mathcal{O}\left(\frac{\Phi^2}{c^4}\right)\text{.}$$

Se teniamo presente che abbiamo a che fare solo con la velocità coordinata della luce, allora sì, potremmo dire che la gravità (piuttosto il potenziale gravitazionale) ritarda la luce. Un altro modo di pensare a questo è così: se facciamo finta di avere a che fare con il normale spaziotempo Minwkoski nelle solite coordinate inerziali, allora abbiamo bisogno di un mezzo con l'indice di rifrazione sopra per riprodurre le traiettorie della luce. Ma ovviamente prendere questo alla lettera non è legittimo, dal momento che (1) la metrica influisce più della propagazione della luce, e (2) tale interpretazione non riuscirebbe a spiegare il redshift gravitazionale.

Quest'ultimo approccio è moralmente simile a quello descritto nella risposta di Walter, poiché dipende da un ipotetico confronto con lo spaziotempo piatto. La differenza è che limitandoci a parlare di ciò che accade lontano dai corpi gravitanti, Walter può eludere il problema dello spostamento verso il rosso gravitazionale, ma poi non può attribuire alcun indice di rifrazione locale (sul lato positivo, il suo approccio non è limitato a debole, lentamente- cambiando gravità).

E se la gravità influenza la velocità della luce, che cosa dice delle nostre misurazioni della distanza dall'oggetto più lontano osservabile? Potremmo supporre che tutti gli effetti della gravità su 15 miliardi di anni luce si spengano da soli?

I nostri modelli cosmologici ipotizzano che l'universo sia su larga scala omogeneo e isotropico, un presupposto che è supportato da osservazioni delle sue parti che possiamo vedere. In un universo omogeneo e isotropico, è abbastanza facile spiegare come si comporta la luce quando la attraversa. Quindi no, non abbiamo bisogno di supporre che gli effetti della gravità si estinguano da soli - al contrario, usiamo tali effetti gravitazionali sulla luce per adattarci ai parametri dei nostri modelli.

La gravità non influisce sulla velocità della luce. Colpisce la geometria spazio-temporale e quindi i percorsi della luce. Tuttavia, questo può avere un effetto simile.

Luce emessa alla fonte $S$ passare un oggetto enorme $M$questo è molto vicino al contrario (se M non ci fosse) percorso diretto verso un osservatore$O$ deve "andare in giro" $M$, che richiede più tempo rispetto a seguire la retta via in assenza di $M$. La luce che raggiunge$O$ a partire dal $S$ non viene emesso da $S$ nella "scala" (in assenza di $M$) direzione a $O$, ma leggermente fuori da quella direzione, tale che la "flessione" del suo percorso per gravità di $M$ "lo devia" su $O$.

Certo, la luce non è mai piegata, ma segue sempre un percorso rettilineo. Ciò che è piegato è lo spazio-tempo rispetto allo spazio-tempo euclideo in assenza di masse distorte (vedi: geodetica ). Questa distorsione nel tessuto dello spazio-tempo è chiamata lente gravitazionale .

Questo è difficile, soprattutto perché non sono abituato a dare spiegazioni in termini non tecnici.

A partire dall'alto:

Condizionalmente sì. Nello spazio più vuoto possibile - non quello tra le stelle, non quello tra le galassie, non quello tra le famiglie di galassie e così via ..... nello spazio più vuoto tra i super-ammassi di galassie, c'è il suo più veloce, dove la gravità è al suo più debole.

Se hai avuto il tempo di farlo, e un bel buco nero chiaro bersaglio e sparato un laser blu proprio all'orizzonte degli eventi su un lato (supponiamo che stia trasmettendo l'intera opera di Shakespeare seguita dal resto del progetto Gutenberg) - in in modo tale da sfiorare completamente e poi rientrare nella tua direzione, come una fionda della luna che ha fatto la prima orbita della luna, cosa sarebbe successo? Il colore della luce cambierebbe?

Più il raggio si avvicina all'orizzonte degli eventi, più spazio è esteso - pensatelo in questo modo, quindi la luce deve spostarsi ulteriormente e lo stesso lungo il buco nero - più vicino all'orizzonte degli eventi più profondo è il pozzo , più lo spazio è allungato e più tempo impiega la luce a muoversi. Dal tuo punto di vista, il buco nero è a X distanza, il percorso che la luce ha preso è Y in lunghezza apparente. Usando la tua pratica regola a scorrimento, calcola l'addomesticamento del toporagno dovrebbe arrivare all'ora Z.

Non si presenta in tempo. Perché? Ricorda che la luce ha dovuto percorrere un percorso molto lungo a causa della densità del campo di gravità che allungava il viaggio. Quando finalmente si presenta Di che colore è? Ancora blu - questo non dipende dal fatto che il buco nero si stia allontanando o avvicinando - non c'è spostamento rosso o blu. (Sono un po 'disingenuo qui perché la lunghezza d'onda si sarebbe spostata di un minuto sul rosso - lo fa mentre viaggia, più fa, più si sposta, in parte da collisioni con atomi fluttuanti liberi che assorbono e poi emettono in un frequenza più bassa, ad esempio il big bang (molto caldo) - la luce da questa è davvero una lunghezza d'onda molto lunga, (rosso spostato all'estremo) ma lo spazio si sta espandendo, ricordate. Per dirla in breve, l'entropia non può essere invertita.

La cosa strana è la distanza che la luce percorre dal punto di vista dell'osservatore che ha sparato al laser, estrapolerebbe che le onde di luce contenenti The Shrew, dal momento che sono arrivate così tardi, non devono solo aver rallentato ma avvicinarsi di più (blu spostato) - ma quando ritorna all'osservatore ha lo stesso colore di prima. (Apparentemente lo spazio si è allungato, questo spiegherebbe questo, no?)

Dire che la gravità rallenta la luce è come dire che un bollitore osservato non bolle mai, ha una specie di verità da un particolare punto di vista - un punto di vista percettivo.

Guardando l'intero universo, ci sono punti caldi e freddi visibili, luoghi con sempre più materia - questo può essere osservato. Il problema che stiamo avendo in questo momento è con la materia oscura e l'energia oscura.

Abbiamo iniziato con le osservazioni nel nostro sistema solare. Gli oggetti distanti sono tutti misurati l'uno rispetto all'altro. Numerose osservazioni sono fatte su molti oggetti, la loro luminosità, la loro luminosità aggregata, il loro spostamento rosso o blu - e, in modo interessante, il loro cambiamento nel cambiamento Doppler. Vari tipi diversi di stelle, quelle pulsanti, stelle che emettono radiazioni dure, stelle orbitanti di ogni sorta, i dischi di accrescimento al centro delle galassie e le loro temperature, Questo accumulo di dati da Copernico, o almeno dal momento che il Rinascimento ha tutto sono stati messi insieme, adattandosi lungo la strada tenendo conto dei mutamenti di paradigma che cambiano il mondo come la relatività, e enormi progressi nella risoluzione delle nostre osservazioni sull'universo, dalle piattaforme terrestri e spaziali (pensiamo!