¿Cómo explicar las lentes gravitacionales a un lego?

Question

Esta pregunta es acerca de cómo explicar el efecto de lente gravitacional para un laico, no se trata teórico exacto de la exactitud.

Yo estoy acostumbrado a explicar la refracción óptica en términos de frentes de onda y el hecho de que la luz se mueve a diferentes velocidades en diferentes medios de comunicación. Por ejemplo, voy a explicar una lente óptica diciendo

Una onda plana que incide perpendicular a la superficie plana de un plano-convexa de la lente se propagan más lentamente en el interior de la lente. Esto significa que las partes del frente de onda que la salida de la lente en primer lugar, cerca de la bordes, va a terminar por delante de las partes que la salida cerca de la mitad de la lente. Esto se traduce en la forma de expansión aguas abajo de la lente tener una curvatura cóncava. Debido a que la onda se propaga perpendicularmente para el frente de onda, que converge a un punto.

Me gustaría utilizar un análogo de explicación para describir los efectos de una lente gravitacional. A pesar de la velocidad local de la luz es invariante en el vacío, la gravedad hace que el local de la frecuencia y la longitud de onda de la luz en un principio plana, monocromática, de frente de onda que varían con la distancia radial desde una masa atractiva. Cuando la onda de luz ha pasado lo suficientemente lejos aguas abajo de la masa atractiva, la frecuencia y la longitud de onda de retorno a sus valores originales, pero el frente de onda se curva debido a los cambios experimentados por diferentes partes del frente de onda al pasar por el campo gravitacional de la masa: las partes del frente de onda de cerca de la mitad son de retraso con respecto a los que están cerca de los bordes.

He estado tratando de perfeccionar esta explicación, pero estoy ejecutando en una complicación que, hasta ahora, está más allá de mis habilidades. Entiendo que la dilatación del tiempo en términos de corrimiento al rojo gravitacional y desplazamiento hacia el azul. La complicación es que tanto la longitud de onda y la frecuencia de la luz (desde la perspectiva de un observador distante) parecen ser afectados por el campo gravitacional. No es obvio para mí la forma de onda se ve afectada por la gravedad. Localmente, el cambio de longitud de onda debe equilibrar el cambio de frecuencia de tal manera que la velocidad de la luz es $c$. Esto sugiere que el aparente de la longitud de onda, a juzgar por un observador distante también debe cambiar.

No sé cómo explicar esto de una forma intuitiva forma satisfactoria, probablemente porque no entiendo bien lo que un observador distante puede medir a distancia la longitud de algo que es profundo en el efecto de la gravedad. Cualquier ayuda será muy apreciada.

Answer 1

Creo que la distinción que se están haciendo, con las preocupaciones sobre el intermedio blueshifts, el rojo, y la dilatación del tiempo, es demasiado técnico para alguien cuya educación está fuera de la física por completo. Me gustaría empezar con algo más sencillo y agregar complejidad como las respuestas de la audiencia sugieren las direcciones apropiadas a ir.

Cuando hablo acerca de las lentes gravitacionales, yo uso un enfoque como este:

1. El principio de equivalencia predice que la luz también debe incluirse en un campo gravitacional. (Y los experimentos en la Tierra confirmar esto, pero los detalles son complicados.) Así que si una estrella distante/galaxy y está cerca de un estrella o galaxia están a lo largo de la misma línea de visión, la luz del objeto distante que habría perdido nosotros puede llegar la espalda doblada hacia nosotros por la cercana estrella de la gravedad, de manera similar a la forma en que una lente de aumento que hace que los rayos de luz paralelos que convergen. Me acaban de dibujo de alguna variante de la a continuación:

   
   [fuente]

   Ten en cuenta que la mayoría de la experiencia de la gente con lentes de aumento es mirar a través de la lente en una imagen virtual. Mirando a través de una lupa con la distancia suficiente para ver la imagen real invertida es una sorpresa para muchos adultos, y poniendo el ojo en el foco, es simplemente extraño. Así que usted puede tener algunos intuición fallas para hacer frente si se utiliza este enfoque.

2. Si consiguen que la gravedad puede doblar la luz y hacer que las imágenes de las cosas que aparecen en el "mal" lugar, les pido que recuerde que una vez caminaron a través de un estacionamiento y notó una abolladura en un carro brillante. No vemos la abolladura. Lo que se ve es el reflejo en el coche del coche del entorno. El reflejo en el cuerpo del coche está distorsionado un poco, porque un coche no es plana como un espejo. Y donde hay un hueco, hay más y diferentes distorsión. A veces se puede ver el mismo objeto se refleja más de una vez, desde diferentes lados de la abolladura. La mayoría de las personas han visto esto suficientes veces, que tienen una idea bastante buena de la forma y tamaño de la abolladura sólo a partir de este refleja la información de la imagen: caminar hasta el coche y tocar la abolladura generalmente no es una sorpresa. Y de la misma manera, una imagen como esta

   
   [fuente]

   te permite decir cosas acerca de la distribución de la materia en el primer plano cúmulo de galaxias que está haciendo la lente.

Este pequeño spiel me ha servido bien.

Answer 2

Aunque estos documentos (1), (2), (3), (4) explicar en su mayoría de un rayo perspectiva, que hacen derivar un índice refractivo efectivo que depende del potencial gravitacional. Es fácil explicar lente gravitacional de la onda de la perspectiva o el rayo perspectiva, basada en la eficacia del índice de refracción $n$: $$n=1− 2Φ/c^2, $$ where $Φ$ es el potencial gravitacional Newtoniano. Esta es una aproximación de primer orden; algunos de los documentos ofrecer una fórmula exacta.

Answer 3

"Esta pregunta es acerca de cómo explicar el efecto de lente gravitacional a un laico, no se trata teórico exacto de la exactitud.

Yo estoy acostumbrado a explicar la refracción óptica en términos de frentes de onda y el hecho de que la luz se mueve a diferentes velocidades en diferentes medios de comunicación. Por ejemplo, voy a explicar una lente óptica diciendo..."

"Me gustaría utilizar un análogo de explicación para describir los efectos de una lente gravitacional."

He encontrado una forma muy sencilla y eficiente para que usted pueda enseñar a sus estudiantes una estrecha relación entre las lentes gravitacionales y clásica de la refracción, que se adapta perfectamente a esta solicitud. Creo que usted (lector) también podrán disfrutar de esta experiencia tal vez sin precedentes.

¿Sabía usted que las burbujas que flotan en la superficie del agua producen un objetivo capaz de converger los rayos de luz hacia un punto en la parte inferior de la taza, independientemente de su profundidad? Hasta los dos metros, al menos. La luz que converge a un punto en la parte inferior de la taza no pasa a través de la burbuja, pero externamente, en la que la elevación de la región (curva) debido a la tensión superficial y la capilaridad. Si cambiamos la burbuja por un opaco objeto cilíndrico, obtenemos el mismo resultado como muestra la Imagen.

Ver que la luz de la lámpara de techo de la habitación, pasa alrededor del cilindro y, a continuación, crea la imagen en la parte inferior de la taza. Hay una segunda imagen producida por la lente que rodea la burbuja que flota en la superficie del agua.

Este mecanismo es equivalente a la que se produce en lentes gravitacionales y nos permite observar el "Einstein de los Anillos".

Si pones un espejo en la parte inferior de la taza sobre la imagen, usted sólo será capaz de observar un "Anillo de Einstein" cuando la imagen en tu ojo está en la cilíndrico-dirección de la fuente. Esta imagen es increíble. Nos atenuar la luz del techo y con esto, tenemos esta secuencia de imágenes que imita el "Einsten anillos" con gran perfección.

Einstein Anillo

Ahora a ver otra foto de este experimento en el que un obstáculo se ha colocado entre la fuente de luz y el cilindro. Este obstáculo no impiden el paso de la luz y su sombra muestra su alineación.

En la foto de abajo otro obstáculo fue colocada entre la imagen y el cilindro. La imagen permanece integrado.

Una lente gravitacional no sólo eso: se puede hacer una señal de transponer un obstáculo en la misma manera como la refracción de la luz en el agua. Yo creo que no solo con la luz, yo creo que lo mismo sucede también con las ondas gravitacionales. Tal vez una enorme cuerpo situado entre el foco emisor de la onda y la LIGO (Laser Interferómetro Observatorio de Ondas Gravitacionales), puede maximizar su efecto. En este caso, el "obstáculo" puede funcionar como un amplificador.

Ahora, quiero mostrar la óptica de los aspectos involucrados en este experimento. En esta figura, los efectos son maximizados y los ángulos y las medidas están fuera de proporción y sólo sirven para hacerse una idea de cómo estoy en la comprensión de este fenómeno.

Burbujas en la superficie del agua provocando luminoso imágenes, como se muestra en las fotos, es muy común en los utensilios de uso doméstico, sanitario embarcaciones, piscinas y en grandes cantidades en las playas. Sé que este fenómeno por un largo tiempo, pero fue en la final de este año 2018, que he hecho esta experiencia y me gustó mucho porque es revelador.

En este video:

Lente Gravitacional

La espiral de una galaxia se deforma en sí visiblemente a medida que pasa detrás de un agujero negro. Este efecto también puede ser simulado en nuestra experiencia, y muy fielmente. Para ello, basta con colocar el espejo en lugar de la imagen y cambiar la fuente de luz para una varilla larga de aproximadamente $30 cm$ (longitud) y $4mm$ (de diámetro). La barra se puede colocar un metro de alto, y debe deslizarse horizontalmente, la rotación entre la izquierda y la derecha, de modo que pasa verticalmente a partir de la imagen con el cilindro. De este modo, la imagen que se obtiene es idéntico en sus detalles con las propuestas de video. Tengo buenas imágenes que revelan la gran similitud entre las imágenes de la propuesta de vídeo y la experiencia.

Si usted sabe más acerca de este fenómeno que se produce en la base de las burbujas que flotan en la superficie del agua, y puede informarme, muchas gracias.