¿Una carga estacionaria en un campo gravitatorio irradia?

Question

Según el principio de equivalencia, un observador en caída libre constituye un marco inercial. Así, localmente, se aplican las ecuaciones de Maxwell en su forma habitual. Según estas ecuaciones, una carga acelerada debería irradiar energía electromagnética. Pero en este marco, una carga estacionaria en la tierra sí se acelera, lo que significa que debería irradiar. Entonces, ¿por qué no observamos que las cargas estacionarias en campos gravitatorios, como el de la Tierra, irradian radiación electromagnética? ¿Y observamos que las cargas en caída libre irradian (lo que no deberían hacer según el principio de equivalencia)?

Answer 1

Esta es la respuesta que he dado en Lo grande y lo pequeño

La paradoja relativa a la radiación de una carga en un campo gravitatorio puede resolverse con el electromagnetismo clásico o con la electrodinámica cuántica. La resolución en electrodinámica cuántica es interesante porque muestra directamente que los llamados fotones "virtuales" pueden ser observables. La paradoja es la siguiente es un principio bien reconocido del electromagnetismo clásico que una carga acelerada carga acelerada irradia, pero observamos que una partícula cargada en reposo en la superficie de la Tierra no irradia, a pesar de que tiene una aceleración propia hacia arriba respecto a un sistema de referencia inercial. Una partícula cargada, en caída libre en un campo gravitatorio, será vista como radiante por un observador estacionario en el suelo. Uno Uno pensaría que debería perder energía, y frenar en relación a una partícula neutra en caída libre. de caída libre. Pero si lo hiciera, entonces un observador en caída libre con la partícula cargada sería capaz de distinguir la caída libre en un campo gravitatorio del movimiento inercial en el espaciotiempo plano, tanto por el cambio de movimiento como por la presencia de la radiación. Si esto fuera así, se violaría el principio de equivalencia.

Esto puede entenderse si se piensa más detenidamente en cómo la teoría de Maxwell describen la radiación. Una onda electromagnética es una solución de la ecuación de Maxwell de Maxwell. Lo que vemos como radiación es en realidad una fluctuación en el campo electromagnético electromagnético. Si el observador y la carga están comoving, si están apoyados o en caída libre, o incluso en movimiento oscilatorio, no se producirá ningún cambio en el campo electromagnético electromagnético (por aproximación). Un análisis detallado que muestra las transformaciones entre estas perspectivas ha sido dado por Rohrlich F., 1965, Partículas cargadas clásicas Addison-Wesley). Por lo tanto, no se verá ninguna radiación vista. Si el observador está apoyado en la superficie de la Tierra, y la carga está en caída libre, verá cambios en el campo electromagnético. Si la carga está apoyada y el observador está en caída libre, el observador verá cambios similares en el campo electromagnético.

En ambos casos los cambios se parecen a la radiación, pero aunque la apariencia es la misma, para la carga inercial la energía de la "radiación" aparente proviene proviene de la fuerza que acelera al observador, no de la carga. La causa de la paradoja es que describir la detección de fotones como "radiación" es engañoso. El cambio en el campo electromagnético debido a la aceleración de una sola carga puede ser transformado. Esto es fundamentalmente diferente de la radiación de una bombilla, donde hay muchas cargas que se mueven de forma diferente. El movimiento de El movimiento de esas cargas no puede transformarse mediante una elección adecuada del marco de referencia. de referencia.

Visto desde la perspectiva de la electrodinámica cuántica, la paradoja arroja luz sobre si los fotones del campo electromagnético son reales o virtuales. Una carga está rodeada de fotones que contienen la energía del campo electromagnético generado por la carga. Si el observador no acelera con respecto a la carga estos fotones no son observables. Algunos autores los describen como virtuales. La aceleración del observador con respecto a la carga cambia el estado de algunos fotones en el campo. Se convierten en observables. La observación de estos La observación de estos fotones no altera en absoluto el comportamiento de la carga, pero ilustra que la palabra "virtual" es engañosa cuando se aplica a los fotones que constituyen el campo electromagnético.

Answer 2

Pero en este marco, una carga estacionaria en la tierra sí se acelera, lo que significa que debería irradiar. Entonces, ¿por qué no observamos que las cargas estacionarias en campos gravitatorios, como el de la Tierra, irradian radiación electromagnética?

Tres observaciones:

1. en el marco de la caída libre, la carga en tierra se mueve con una aceleración casi constante. El campo de radiación de la carga en movimiento es muy diferente de la radiación ordinaria. No hay oscilaciones, el campo sólo tiene una pequeña componente adicional con un patrón angular interesante (no isotrópico)

2. El hecho de que una carga tenga un campo de radiación en el marco de la caída libre no implica aparentemente que también tenga un campo de radiación en el marco de la Tierra. Los campos electromagnéticos deben transformarse entre marcos acelerados y el resultado no es inmediatamente obvio.

3. incluso si resulta que hay algún tipo de campo de radiación en el marco de la Tierra debido a la carga terrestre, basado en el campo EM retardado estándar de la carga acelerada lenta es tan débil que es muy difícil de medir. Especialmente debido al número y movilidad de otras cargas en la Tierra.