¿Los fotones doblan el espacio tiempo o no?

Question

He leído esta pregunta:

La gravedad electromagnética

donde Safesphere dice en un comentario:

En realidad, los fotones por sí mismos no doblan el espacio tiempo. Intuitivamente, esto se debe a que los fotones no pueden emitir gravitones, porque, como cualquier partícula sin masa que no experimente el tiempo, los fotones no pueden decaer emitiendo nada. Los últimos resultados teóricos muestran que el campo gravitatorio de un fotón no es estático, sino una onda gravitatoria que emana de los eventos de emisión y absorción del fotón. Por lo tanto, el espacio tiempo es doblado por las partículas cargadas que emiten o absorben fotones, pero no por los fotones mismos.

Si el fotón puede doblar el espacio tiempo, ¿cómo intercambia el gravitón?

¿Existen pruebas experimentales de que las partículas sin masa, como los fotones, atraen objetos masivos?

donde dice John Rennie:

hasta donde sé, no ha habido pruebas experimentales de que la luz curve el espacio tiempo. Sabemos que si la GR es correcta debe serlo, y todos los experimentos que hemos hecho han confirmado (hasta ahora) las predicciones hechas por la GR, por lo que parece muy probable que la luz efectivamente curva el espacio tiempo.

Ahora esto no puede estar bien. Uno de ellos dice que los fotones doblan el espacio tiempo, ya que tienen energía de estrés, pero es difícil medirla ya que la energía que llevan es poca comparada con la energía de estrés del cuerpo astronómico. Así que sí que doblan el espacio-tiempo, es sólo que es difícil medirlo con nuestros dispositivos actualmente disponibles.

Ahora el otro dice que los fotones no doblan el espacio tiempo en absoluto. Es sólo la carga emisora (fermión) la que dobla el espacio tiempo.

¿Cuál es el correcto? ¿Los fotones doblan el espacio-tiempo por sí mismos porque tienen energía de estrés o no?

Answer 1

Clásico Los campos electromagnéticos transportan energía y momento y, por tanto, provocan la curvatura del espaciotiempo. Por ejemplo, el campo electromagnético alrededor de un agujero negro cargado se tiene en cuenta a la hora de hallar las métricas de Reissner-Nordstrom y Kerr-Newman.

La cuestión de si los fotones causan la curvatura del espaciotiempo es una cuestión sobre quantum gravedad, y no tenemos ninguna teoría aceptada de la gravedad cuántica. Sin embargo, tenemos formas estándar de cuantificar las perturbaciones lineales de una métrica, y revistas de renombre como Physical Review D han publicado artículos sobre la dispersión de fotones mediada por gravitones, como este de 2006. Si tales cálculos ya no son la corriente principal, es una novedad para mí. Dado que los fotones tienen energía y momento, me sorprendería que no indujeran curvatura.

También observo que la expansión del universo primitivo "dominado por la radiación" fue causada por lo que generalmente se describe como un fotón gas y no como un campo electromagnético clásico. Así, la idea de que los fotones curvan el espaciotiempo forma parte de la cosmología dominante, como el modelo estándar Lambda-CDM.

Por último, la idea de un kugelblitz no tiene sentido para mí a menos que los fotones doblen el espacio tiempo.

Así que en el caso de Rennie contra Safesphere, estoy del lado de Rennie, pero espero que Safesphere defienda su posición en una respuesta competitiva.

Adenda:

Safesphere se negó a responder; en un comentario ahora eliminado, dijo que la respuesta de Knzhou explica el desacuerdo. No estoy de acuerdo. No estoy de acuerdo con knzhou en que "doblar el espacio-tiempo" sea vago. La mayoría de los físicos lo entienden como "contribuye al tensor de energía-momento en el lado derecho de las ecuaciones de campo de Einstein". Y la mayoría de los físicos creen que los fotones reales hacen exactamente esto, por las razones que Ben Crowell y yo hemos expuesto.

Answer 2

En la relatividad general clásica, los campos electromagnéticos curvan el espaciotiempo. Tienen un tensor de tensión-energía no evanescente, y las ecuaciones de campo de Einstein relacionan la tensión-energía con la curvatura.

Incluso tenemos una prueba experimental bastante directa de que los campos electromagnéticos interactúan gravitacionalmente de esta manera, a partir de experimentos similares a los de Cavendish. Véase Kreuzer, Phys. Rev. 169 (1968) 1007, que puede interpretarse como una confirmación de la corrección del acoplamiento de la gravedad con los componentes de presión de la energía de tensión. Para una discusión de Kreuzer y de pruebas similares, incluyendo el alcance del láser lunar, véase Will, " La confrontación entre la relatividad general y el experimento El experimento de Kreuzer se analiza en la sección 4.4.3.

También podemos confirmar que esto es válido para las ondas electromagnéticas, no sólo para los campos estáticos. Una confirmación empírica de esto viene del hecho de que los modelos de nucleosíntesis del Big Bang (BBN) concuerdan bastante bien con los datos observados en cosas como la relación H/He; durante el período del BBN, la gravedad cosmológica estaba dominada por la radiación.

También sería extremadamente problemático que los rayos de luz no produjeran campos gravitacionales, porque tenemos estudios detallados que confirman que las lentes gravitacionales funcionan como predice la RG. Si el campo gravitatorio de la materia afectara al momento de los rayos de luz, pero no al revés, entonces se violaría la conservación del momento. Este tipo de cosas se discute en la sección 4.1.1 de Will, y se parametriza mediante $\gamma$ en el marco de la PPN. Una variedad de experimentos limita $\gamma$ para ser igual al valor de la RG hasta aproximadamente $10^{-4}$ .

No hay razón para pensar que la situación sea diferente cuando el campo electromagnético está cuantizado. Por el principio de correspondencia, los fotones tienen que producir campos gravitatorios cuando las condiciones son tales que la teoría clásica es una buena aproximación (estados coherentes con muchos fotones). En el caso de que la teoría clásica no sea válida, y tengamos que hablar realmente de fotones, lo mejor que podemos hacer actualmente, a falta de una verdadera teoría de la gravedad cuántica, es la gravedad semiclásica. La gravedad semiclásica funciona sustituyendo el tensor tensión-energía $T$ en las ecuaciones de campo de Einstein con su valor de expectativa $\langle T \rangle$ . $\langle T \rangle$ puede ser fácilmente distinto de cero.

Answer 3

Imaginemos un cuerpo esférico aislado y homogéneo en algún lugar del espacio exterior y con velocidad cero (visto desde un marco inercial local). Si dejamos que se forme un haz paralelo (para crear más energía) de un elevado número de haces láser continuos de alta energía (cada haz formado por fotones reales coherentes en el espacio y el tiempo; véase aquí ) pase esta masa por un lado, este haz, debido a la curvatura del espaciotiempo alrededor del objeto masivo, cambiará su dirección hacia el objeto.

Esto significa que el haz "saliente" no es paralelo al "entrante". En otras palabras, el momento del haz (y de los fotones que lo constituyen) ha cambiado de dirección. Esto, a su vez, significa que el momento del objeto masivo ha cambiado también para compensar el cambio de momento del haz láser. La única manera en que este objeto masivo puede adquirir este momento (las tres fuerzas básicas no están involucradas aquí) es debido a un espaciotiempo curvado producido por el haz de láseres que consiste en fotones reales.

Sin el haz de fotones, la curvatura alrededor de la masa es esféricamente simétrica, como escribió acertadamente Peter A. Schneider en un comentario más abajo. La única manera de que el cuerpo masivo adquiera impulso es cuando la curvatura del espaciotiempo que lo "rodea" es asimétrica. Es obvio que el haz de láseres es el responsable de esta asimetría. Lo que significa que los fotones hacer curva del espacio-tiempo.

EDITAR En la respuesta dada a continuación por Ben Crowell (alguien que sabe de lo que habla) leo:

También sería extremadamente problemático que los rayos de luz no produjeran campos gravitacionales, porque tenemos estudios detallados que confirman que las lentes gravitacionales funcionan como predice la RG. Si el campo gravitatorio de la materia afectara al momento de los rayos de luz, pero no al revés, entonces se violaría la conservación del momento. Este tipo de cosas se discuten en la sección 4.1.1 de Will y se parametrizan en el marco de la PPN. Una variedad de experimentos constata que es igual al valor de la RG hasta aproximadamente 104.

Ahora no me importa demasiado la reputación de alguien y señalar: "Pero el famoso Sr. X ha dicho..." pero en este caso, me parece extraño que nadie haya dicho que su argumento es circular (del que obviamente pienso que es no ). Por supuesto que también dio mucha otra gran información, pero sin embargo...

Answer 4

Ambos carteles son correctos y sus respuestas no se contradicen. Sólo hablan de regímenes muy diferentes. Un campo electromagnético clásico genera curvatura métrica, mientras que un fotón aislado no genera gravitones reales. Aquí safesphere se refiere a este documento y trasladarlo a la gravedad linealizada, que es una aproximación perfectamente definida a la gravedad cuántica a bajas energías.

Para un ejemplo más familiar, considere un átomo aislado en su estado básico. Este sistema no puede ser fuente de fotones reales, porque ya está en el estado de tierra. Pero a grandes distancias se puede medir un campo eléctrico, es decir, hay un momento dipolar. Lo mismo ocurre aquí.

El sólo La contradicción entre las afirmaciones es un punto puramente semántico de lo que significa que "los fotones doblen el espaciotiempo", una frase que, de todos modos, nunca estuvo perfectamente definida. Por supuesto, los campos electromagnéticos pueden acoplarse a la gravedad, como sabemos por pruebas experimentales.

Answer 5

Por supuesto que sí. No voy a reiterar los argumentos, en su mayoría correctos, de G.Smith y Ben Crowell, sino que les daré un ejemplo concreto refiriéndoles el Vaidya métrica. Este espacio-tiempo es básicamente el lugar donde una cáscara de radiación electromagnética (o polvo sin masa) colapsa para formar un agujero negro. Obsérvese que, como se ha repetido en las respuestas anteriores, la energía de tensión sólo recibe la contribución de la radiación sin masa.

PS. No hace falta hacer gravedad cuántica para entender que el espaciotiempo es curvo, sino que basta con un simple análisis semiclásico para verlo. En primer lugar, se parte de una distribución de fotones y se calcula su energía de tensión. Ahora introduce la energía de tensión en la ecuación clásica de Einstein. Como ejemplo, para una distribución específica se obtiene la Vaidya métrica.