¿Podría la gravedad acelerar la luz?

Question

La gravedad hace que cualquier cosa con energía se acelere hacia la fuente. Los agujeros negros, por ejemplo, tienen una gravedad tan fuerte que atraen la luz y no dejan escapar ninguna. Pero ¿la aceleración aún se aplica a la luz? La velocidad de la luz es constante, por supuesto, pero ¿por qué los fotones son afectados por la gravedad pero no se aceleran?

Edición: Mi pregunta principal es por qué los fotones no son afectados de la misma manera que la mayoría de las otras partículas. Soy perfectamente consciente de que no pueden superar la velocidad de la luz, pero quiero saber qué hace que no sean afectados por la aceleración mientras que otras partículas sí lo son.

Answer 1

Los fotones se desplazan hacia el lado azul cuando son atraídos por la gravedad (me refiero a moverse hacia una masa, no moverse en ángulos rectos al campo gravitacional como en una órbita). No pueden moverse más rápido, pero su energía aumenta.

Answer 2

No sientes la aceleración. Cuando estás a bordo de la ISS, estás acelerando hacia la tierra (abajo) debido a la gravedad: si no lo hicieras, simplemente te alejarías del planeta. Debido a que tanto tú como la ISS están acelerando de la misma manera, no sientes nada. No sientes una fuerza si te está acelerando: sientes presión causada por fuerzas opuestas. Aquí en la tierra, siento el suelo bajo mis pies oponiéndose a mi aceleración gravitatoria normal.

Si activas un propulsor en la ISS, entonces la ISS comienza a acelerar de manera diferente a ti, y eventualmente, una de las paredes chocará contigo. Entonces sentirás esa pared interfiriendo con tu propia aceleración gravitatoria, y sentirás algo similar al peso.

La luz experimenta aceleración debido a la gravedad: busca 'lente gravitatoria' para eso. Para entender cómo la luz puede acelerar con una velocidad constante, debes entender la diferencia entre velocidad y velocidad, y lo que realmente significa aceleración.

La velocidad es un 'escalar', solo un número sin dirección. Si viajas a 30 km/h, esa es tu velocidad.

La velocidad es un 'vector', un número con dirección. Conducir 30 km/h al norte es muy diferente que conducir 30 km/h al sur: claramente, terminarás en lugares diferentes independientemente de tu velocidad.

La aceleración no es un cambio en la velocidad, es un cambio en la velocidad. Piensa en un coche. Por lo general, hay tres formas de acelerar un coche. Para aumentar tu velocidad (escalar), pisa el acelerador, y sentirás cómo el respaldo de tu asiento te empuja con más fuerza a medida que te acelera con el coche. Para disminuir la velocidad (escalar), pisa el freno y sentirás tus cinturones de seguridad acelerándote con el coche.

Pero ¿qué ocurre cuando giras? Tu velocidad se mantiene más o menos igual (exactamente igual si tienes suficiente habilidad), pero estás cambiando tu dirección. Tus 30 km/h hacia el norte se están convirtiendo en 30 km/h hacia el oeste, y el cambio de dirección es una aceleración. Dependiendo de si tu coche está construido para conducir por la derecha o por la izquierda, tendrás la tendencia de empujar contra tu puerta o hacia el regazo de tu pasajero. Eso sigue siendo aceleración.

Si un fotón pasa cerca de algo pesado, será acelerado hacia ese objeto, cambiando su curso pero no su velocidad. Si un fotón va hacia o alejándose de algo pesado, no puede acelerar adecuadamente cambiando la velocidad. No soy físico, pero creo que aumenta o disminuye la energía cambiando su frecuencia. En otras palabras, las cosas que esperarías que aumentaran su velocidad en cambio aumentarán su frecuencia (la 'desviación al azul' si es luz visible), y lo que esperarías que disminuyera su velocidad en cambio disminuirá su frecuencia (la 'desviación al rojo' si es luz visible).

Answer 3

Hablar de aceleración en el espacio es un poco peligroso sin una definición exacta. Uno tiene que separar la caída libre y la aceleración de un impulso.

Imagina que estás dentro de la ISS durante una corrección de órbita. El impulso del motor del cohete lo podrías sentir, obtienes algo de peso, y esto es una aceleración.

En todo otro momento estás en ingravidez y no sientes ninguna aceleración. Pero sin duda hay algo que mantiene la nave espacial en su órbita. Llamarlo una fuerza no es correcto porque tienes que sentir una aceleración (debido a la fórmula de Newton F = m a). Esa es la razón por la que Einstein ya no habla más sobre fuerzas gravitacionales, sino sobre la curvatura del espacio.

¿Qué hay sobre la curvatura del espacio y el tiempo? ¿Sigue alguna partícula o cuerpo la misma trayectoria, al partir desde el mismo punto en la misma dirección? Ese no es el caso. La trayectoria más recta alcanzable es con los fotones, que tienen la velocidad máxima posible, pero aún así son influenciados por la curvatura del espacio. Para todos los demás cuerpos, la trayectoria es más curvada bajo la influencia de masas gravitacionales.

Es posible responder a la pregunta de si la luz viaja a diferente velocidad en el espacio. 1) No, si la respuesta es en un marco cercano a la partícula. 2) Sí, si la respuesta es desde un punto en el espacio profundo. Cerca de un agujero negro, el fotón se mueve más lento desde el punto de vista de un observador lejano a este agujero.

Answer 4

Según Einstein y muchos otros, la velocidad de la luz c₀ en el vacío es universal y mide aproximadamente 299,792,458 m/s. Por lo tanto, nunca es posible cambiar la velocidad de la luz en el vacío, que es el límite absoluto para todo.

La gravedad no afecta a un rayo de luz, sino al espacio y al tiempo a través del cual viaja el rayo.

En un campo gravitacional fuerte, el tiempo pasa más lento, según los observadores lejos del campo. Sin embargo, para los observadores afectados por el campo, sigue siendo c₀.

Y el espacio en este campo se expande, siendo más fuerte cuanto más cerca llegamos al centro del campo. Si imaginamos el espacio como un plano en 2D, podríamos decir que se forma un profundo hoyo donde está la masa. El rayo de luz que viaja a través de este hoyo ahora viaja perfectamente recto desde su punto de vista, pero los observadores lejos ven un camino curvo porque el espacio está curvado.

El "corrimiento al rojo gravitacional" notable (si la luz viaja desde un observador hacia un campo gravitacional) o "corrimiento al azul" (si la luz sale de un campo gravitacional hacia un observador) para observadores externos tiene su causa porque el fotón acumula energía al entrar en el pozo de gravedad mientras la pierde al salir. Esta es energía potencial, dependiendo del potencial gravitatorio en el que se encuentre el fotón. Como las masas crean pozos de gravedad con bajos potenciales, la "ausencia" de un (fuerte) campo gravitatorio puede denominarse alto potencial. Esta diferencia de energía no se puede expresar en una diferencia de velocidad (energía cinética), porque como mencionamos anteriormente, la velocidad de la luz es constante. En cambio, la energía potencial se convierte en energía lumínica/electromagnética (por favor, corregirme si el término es incorrecto), como puede describirse con E=hf. Eso significa que la energía del fotón es proporcional a su frecuencia. Un aumento de la energía electromagnética del fotón, ya que entra en un potencial gravitatorio más bajo y convierte su energía potencial, resulta en una frecuencia más alta, lo cual es visible como un corrimiento al azul.

Answer 5

Supongo que la respuesta corta es no, pero los fotones son afectados por la gravedad.

Lo que está ocurriendo es naturalmente bastante relativo para el observador. Supongamos que estás sentado en el fotón, viajando más allá de la fuente de gravedad con la velocidad de la luz. Como se ha argumentado anteriormente, experimentarías la fuerza de la atracción gravitatoria como una aceleración hacia la fuente. Además, si observaras el paso del tiempo durante el viaje, verías que tu reloj está corriendo más lento que el reloj de un observador viajando más lejos de la fuente de gravedad. Para este "viajero más lejano" por lo tanto parecerías estar viajando más rápido, incluso aunque ambos estén viajando a la velocidad de la luz.

En última instancia, lo que esto significa es que, aunque la fuente de gravedad afecta el camino del fotón, la velocidad no se ve afectada debido al cambio relativo en el tiempo.

Al menos eso es como yo lo entiendo de todos modos. :)