¿Podría la gravedad acelerar la luz?

Question

La gravedad causa que cualquier cosa con energía acelere hacia la fuente. Los agujeros negros, por ejemplo, tienen una gravedad tan fuerte que atraen la luz y no dejan que escape. Pero ¿la aceleración todavía 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 son acelerados por ella?

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

Answer 1

Los fotones se desplazan hacia el azul cuando son atraídos por la gravedad (me refiero - moviéndose hacia una masa, no moviéndose en ángulo recto al campo gravitatorio como en una órbita). No pueden ir más rápido, pero su energía aumenta.

Answer 2

No sientes aceleración. Cuando estás a bordo de la ISS, estás acelerando hacia la Tierra (abajo) debido a la gravedad: si no lo hicieras, simplemente volarías lejos del planeta. Debido a que tú y la ISS están acelerando exactamente 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 enciendes un propulsor en la ISS, entonces la ISS comienza a acelerar de manera diferente a ti, y eventualmente, una de las paredes va a chocar contigo. Entonces sentirás esa pared interfiriendo con tu propia aceleración gravitatoria, y sentirás algo parecido al peso.

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

La velocidad es un 'escalar', solo un número sin dirección. Si estás viajando a 30 KPH, esa es tu velocidad.

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

La aceleración no es un cambio en velocidad, es un cambio en velocidad. Piensa en un automóvil. Por lo general, hay tres formas de acelerar un automóvil. Para aumentar tu velocidad (escalar), pisa el acelerador, y sentirás cómo el respaldo de tu asiento empuja más fuerte mientras te acelera con el auto. Para disminuir la velocidad (escalar), presiona el freno y sentirás cómo tus correas de seguridad te aceleran con el auto.

Pero ¿qué sucede cuando giras? Tu velocidad permanece más o menos la misma (exactamente igual si tienes suficiente habilidad), pero estás cambiando tu dirección. Tu 30 KPH al norte se está convirtiendo en 30 KPH al oeste, y el cambio de dirección es una aceleración. Dependiendo de si tu auto está construido para conducir a la derecha o a la izquierda, tendrás una tendencia a empujar contra tu puerta o hacia el regazo de tu pasajero. Eso sigue siendo aceleración.

Si un fotón está pasando junto a algo pesado, será acelerado hacia ese objeto, cambiando su curso pero no su velocidad. Si un fotón se dirige hacia o alejándose de algo pesado, no puede acelerar correctamente 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 aumenten su velocidad en cambio aumentarán su frecuencia ('cambio al azul' si es luz visible), y lo que esperarías que disminuya su velocidad en cambio disminuirá su frecuencia ('cambio al rojo' si es luz visible).

Answer 3

Hablar sobre la 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 cohete que podrías sentir, te da algo de peso, y esto es una aceleración.

En todo otro momento estás sin peso 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 (según la fórmula de Newton F = m a). Esa es la razón por la cual Einstein no habla más de fuerzas gravitacionales, sino de la curvatura del espacio.

¿Qué hay acerca de la curvatura del espacio y el tiempo? ¿Sigue alguna partícula o cuerpo la misma trayectoria al partir del mismo punto en la misma dirección? Eso no es el caso. La trayectoria más recta alcanzable es con los fotones, que tienen la máxima velocidad 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 sobre si la luz viaja con diferentes velocidades en el espacio. 1) No, si la respuesta es en un marco cercano a la partícula. 2) Sí, si se responde 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.

Answer 4

Según Einstein y muchos otros, la velocidad de la luz c₀ en el vacío es universal y mide alrededor de 299,792,458 m/s. Por lo tanto, nunca es posible cambiar la velocidad de la luz en el vacío, que es el límite superior 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 gravitatorio fuerte, el tiempo pasa más lento, según los observadores lejanos al campo. Para los observadores afectados por el campo, sigue siendo c₀.

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

El "corrimiento al rojo gravitacional" (si la luz viaja desde un observador hacia un campo gravitatorio) o "corrimiento al azul" (si la luz sale de un campo gravitatorio hacia un observador) para observadores externos tiene su causa porque el fotón adquiere energía al ingresar al pozo gravitatorio mientras la pierde cuando sale. Esta es la energía potencial, dependiendo del potencial gravitatorio en el que se encuentra el fotón. Como las masas crean pozos gravitatorios con bajos potenciales, la "ausencia" de un campo de gravedad (fuerte) se puede llamar alto potencial. Esta diferencia de energía no puede expresarse en una diferencia de velocidad (energía cinética), porque ya dijimos que la velocidad de la luz es constante. En cambio, la energía potencial se convierte en energía de luz/electromagnética (por favor, corríjame si el término es incorrecto), ya que 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, porque entra en un potencial de gravedad inferior y convierte su energía potencial, por lo tanto resulta en una frecuencia más alta, que se ve 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 sucediendo 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 argumentó anteriormente, experimentarías la fuerza de la atracción gravitatoria como una aceleración hacia la fuente. Además, si observaras el paso del tiempo durante el viaje, encontrarías que tu reloj está funcionando más lento que el reloj de un observador que viaja más lejos de la fuente de gravedad. Para este "viajero más lejano", por lo tanto, aparecerías como si estuvieras viajando más rápido, 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 la trayectoria del fotón, la velocidad no se ve afectada debido al cambio relativo en el tiempo.

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