Si la lumière n'a pas de masse, pourquoi est-elle affectée par la gravité?

La lumière n'accélère pas dans un champ gravitationnel, ce que feraient les choses de masse, car la lumière a une vitesse universellement constante. Pourquoi cette exception?

Une autre façon de répondre à cette question consiste à appliquer le principe d'équivalence, qu'Einstein a appelé sa "pensée la plus heureuse" (vous savez donc que cela doit être bon). Le principe d'équivalence dit que si vous êtes dans une boîte fermée en présence de ce que Newton appellerait un champ gravitationnel, tout ce qui se passe dans cette boîte doit être identique à celui qui existait si la boîte n'était pas dans un champ gravitationnel, mais qu'elle accélérait vers le haut. . Ainsi, lorsque vous relâchez une balle, vous pouvez imaginer que la balle est accélérée vers le bas par gravité, ou vous pouvez tout imaginer, mais la balle est accélérée vers le haut, et la balle est tout simplement laissée derrière (ce qui, ironiquement, permet de mieux contrôler le stress que vous pouvez Détectez facilement tous les objets autour de vous qui ne sont pas présents sur le ballon, y compris la sensation que vous ressentez de la partie inférieure en ce moment).

Compte tenu de cette règle, il est facile de voir comment la gravité serait affectée par la gravité - imaginez simplement de faire briller un laser horizontalement. Dans le repère "laissé derrière", nous voyons ce qui se produirait - le faisceau commencerait à partir d'un point séquentiellement plus haut et plus haut, et cet effet d'élévation s'accélère. Donc, étant donné la vitesse finie de la lumière, la forme du faisceau semblerait se courber vers le bas et le faisceau ne frapperait pas le point situé sur la paroi de la boîte directement en face du laser. Par conséquent, cela doit également être ce qui est perçu de l'intérieur de la boîte - le faisceau ne frappe pas le point directement en face du laser (car ce point est plus haut que le point en face de celui où la lumière a été émise), et son trajet semble se courber vers le bas. Ergo, la lumière "tombe".

En effet, il s’agit de la simplification cruciale du principe d’équivalence - vous n’avez jamais besoin de savoir quelle est la substance, toutes les substances "tombent de la même manière" car il ne leur arrive rien, c’est juste la conséquence de leur "abandon" par tout ce qui a réellement des forces dessus et accélère réellement.

Incidemment, il est intéressant de noter que même dans la gravité newtonienne, les objets sans masse "tomberaient de la même manière" que ceux avec une masse, mais pour le voir, il faut prendre une limite. Il suffit de déposer une balle dans le vide, puis une balle de masse inférieure, puis une masse encore plus basse. Tous les objets tombent pareil sous la gravité newtonienne. Il suffit donc de procéder à la limite de masse zéro, vous ne verrez aucune différence le long du chemin de cette limite. Néanmoins, la gravité newtonienne ne donne pas une réponse tout à fait correcte pour la trajectoire de la lumière dans la gravité, car la physique newtonienne ne traite pas correctement la vitesse de la lumière.

Vous pouvez aborder votre question de différentes manières:

$c$

Bien que les photons n'accélèrent pas en présence d'un puits de gravité, ils sont également affectés par celle-ci. En particulier, les photons qui pénètrent dans un puits de gravité sont décalés en bleu, tandis que les photons qui en sortent sont décalés en rouge. Ce décalage rouge / bleu se produit parce que le temps s'écoule plus lentement dans une gravité que sans elle. Dans tous les cadres de référence, cependant, la vitesse de la lumière reste constante. Il y a plus d'informations à ce sujet sur le wiki .

^{Remarque: À l'origine, la question faisait spécifiquement référence aux trous noirs. Ce qui précède est valable pour toute concentration de matière (dont les trous noirs sont un exemple extrême).}

TL; DR La lumière est affectée par la gravité car elle se déplace le long de la grille espace-temps et sa courbure est la gravité. Cela devient très visible dans les trous noirs.also: Einstein > Newton

Les trous noirs sont noirs parce qu'aucune lumière qui traverse "l'horizon des événements" ne peut plus s'échapper. La masse plie la "grille" de l'espace-temps. La lumière - en deux dimensions - parcourt le sol de la grille espace-temps et suit sa courbure, c’est-à-dire qu’elle descend dans un cône créé par la présence d’une masse et se déplace le long du plus court chemin vers l’extérieur. Cela rend le voyage de la lumière plus long . Pour un trou noir, les choses sont plus extrêmes: un trou noir se forme, lorsque beaucoup de matière est entassée dans un espace inférieur ou égal au rayon de Schwarzschild. Le rayon de Schwarzschild de tout objet stellaire est déterminé uniquement par sa masse. Toute masse avec un dénis assez élevé se transforme en un trou noir:

r _s = 2 * G / 2 c
Rayon de Schwarzschild = 2* the gravitational constant / 2 * the speed of light.
Multipliez ce avec M, la masse d'un objet en kg et vous avez obtenu le r _s pour cette masse.

Pour comprendre cependant comment les trous noirs courbent tellement l'espace qu'ils ne laissent aucune lumière s'échapper, il suffit de regarder une petite partie de l'équation de Schwarzschild.

Pour peindre une image permettant de comprendre les trous noirs, nous avons uniquement besoin de cette section centrale:
1) 2) 3) 4) Nous avons déjà établi que r _s est le rayon de Schwarzschild d'un objet particulier, r est le rayon de l'objet stellaire. Lorsque r devient aussi petit que r _s vous obtenez une singularité ¹ et bizarre des choses commence à se produire, surtout à la question des postes d' observation, la courbure de l' espace-temps au niveau du trou noir devient infini (!)
Cela signifie que toute lumière traversant l’horizon des événements en un point quelconque prendra un temps infini pour se déplacer dans l’entonnoir des trous noirs. Même à un angle très plat par rapport à l'horizon des événements, où il est piqué légèrement, il est perdu parce que la théorie des ensembles nous l'enseigne: tout sous-ensemble de l'infini est également infini.

Voici quelques visalisiations supplémentaires: Cône de
gravité espace-temps de la terre:

Entonnoir spatio-temporel de gravité d'un trou noir:

1) Singularité: une singularité est fondamentalement, en termes de calcul / algèbre, juste au moment où vous divisez par zéro (ce que vous ne ferez jamais!). Une singularité 2D pourrait ressembler à ceci: f(x) = 1/x(la singularité est au milieu à x = 0).

Une singularité 3D peut ressembler à ceci / \, singularité à x = 1 (fonction zêta de Riemann).

L'accélération n'est pas pertinente ici. Toute gravité donnée a bien une vitesse de sortie définissable. Les particules plus rapidement que la vitesse s'échappent du puits, pas les particules plus lentes. La définition même d'un trou noir est un puits de gravité (trou) où la vitesse de sortie dépasse «c» la vitesse des particules lumineuses. Par définition, la lumière ne peut donc pas s'échapper du trou, ce qui le rend «noir».

Si la lumière n'a pas de masse, pourquoi est-elle affectée par la gravité?

Parce que la lumière a une nature d'onde, et un champ gravitationnel est un endroit où la vitesse de la lumière varie. Donc, la lumière se courbe vers le bas. C'est un peu comme la façon dont les ondes sonar ont tendance à se courber vers le bas dans la mer:

^{Image de FAS et de l'US Navy, voir le chapitre 20 du cours ES310}

La lumière n'accélère pas son accélération, ce que feraient les choses de masse, car la lumière a une vitesse universellement constante. Pourquoi cette exception?

Ce n'est pas vrai, j'ai peur. Voyez ce que dit Einstein:

1912 : «Je suis par contre d'avis que le principe de la constance de la vitesse de la lumière ne peut être maintenu que dans la mesure où l'on se limite à des régions spatio-temporelles à potentiel gravitationnel constant».

1913 : «Je suis arrivé au résultat que la vitesse de la lumière ne doit pas être considérée comme indépendante du potentiel de gravitation. Ainsi, le principe de la constance de la vitesse de la lumière est incompatible avec l'hypothèse d'équivalence ».

1914 : "Dans le cas où nous abandonnons le postulat de la constance de la vitesse de la lumière, il n'existe a priori pas de système de coordonnées privilégié."

1915 : «l'auteur de ces lignes est d'avis que la théorie de la relativité a encore besoin d'être généralisée, en ce sens que le principe de la constance de la vitesse de la lumière doit être abandonné».

1916 : «En second lieu, notre résultat montre que, selon la théorie générale de la relativité, la loi de la constance de la vitesse de la lumière dans le vide, qui constitue l'une des deux hypothèses fondamentales de la théorie spéciale de la relativité et à laquelle nous avons déjà fréquemment évoqué, ne pouvons prétendre à une validité illimitée ».

1920 : «Deuxièmement, cette conséquence montre que la loi de la constance de la vitesse de la lumière ne tient plus, selon la théorie générale de la relativité, dans les espaces à champs gravitationnels. Comme le montre une simple considération géométrique, la courbure des rayons lumineux ne se produit que dans des espaces où la vitesse de la lumière est spatialement variable ».

Einstein a également parlé de «la réfraction des rayons lumineux par le champ gravitationnel» . De même que Newton, voir la requête 20 de Opticks : «Ce moyen éthéré ne fait-il pas disparaître l'eau, le verre, le cristal et d'autres corps compacts et denses dans des espaces vides, se densifie progressivement et de plus en plus dense, et réfracte ainsi les rayons de la lumière ne pointe pas en un point, mais en les pliant progressivement en courbes? » C'est vraiment une réfraction, et la lentille gravitationnelle est une expression appropriée. Voir également la section GR de La vitesse de la lumière est-elle la même? C'est un article de PhysicsFAQ du rédacteur en chef Don Koks. Il parle d'Einstein et de la réfraction, et dit ceci:"La lumière augmente de hauteur en montant du sol au plafond et ralentit en descendant de plafond en plancher; ce n'est pas comme une balle qui ralentit en montant et qui va plus vite en descendant". N'est-ce pas intéressant?

Beaucoup de gens vous diront que les courbes de lumière "parce qu'elles suivent la courbure de l'espace-temps" , mais ce n'est pas bien non plus. La courbure de l'espace-temps est associée à la force des marées, pas à la force de gravité. Voir mes articles de "détective physique" sur la vitesse de la lumière et le fonctionnement de la gravité pour plus de détails et de références.