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¿Cuán cerca de la luz tiene que ser, a la órbita de una esfera perfecta, el tamaño y la masa de la Tierra?

La luna orbita alrededor de la Tierra en alrededor de $380,\!000 \,\mathrm{km}$ lejos de ella, en torno a $3,600 \,\mathrm{km}$ una hora.

Yo estaba pensando, con la luz que viaja en $300,\!000 \,\mathrm{km/s}$, que tan cerca de la tierra (probablemente en el $\mathrm{nm}$ rango es mi suposición) sería la luz tiene que ser a la Tierra a la órbita?

Actualización: Después de leer el siguiente respuestas, he aquí mi razonamiento de por qué pensé que iba a estar en el rango del nanómetro.

Pensé que si la luz estaba tan cerca como sea posible de la Tierra (por ejemplo, una longitud de planck lejos o algo), la gravedad de la Tierra podría hacer chocar con la Tierra inmediatamente, pero me olvidé de que la fuerza de la gravedad se debilita cuando uno está más lejos de la Tierra (es decir, en la superficie de la Tierra es todavía un poco "lejos").

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JRT Puntos 97

Usted puede tomar la de Newton, la expresión para la velocidad orbital como una función del radio orbital y ver qué radio se corresponde con una velocidad orbital de $c$, pero esto no es físicamente relevante debido a que usted necesita para tomar la relatividad general en cuenta. Esto le da un radio orbital de la luz, a pesar de que es una órbita inestable.

Si la masa del planeta es$M$, entonces el radio de la órbita es:

$$ r = \frac{3GM}{c^2} $$

donde $G$ es el de Newton constante. La masa de la Tierra es de alrededor de $5.97 \times 10^{24}$ kg, por lo que el radio en el cual la luz se órbita a ser acerca de $13$ mm.

Obviamente, esto es mucho menor que el radio de la Tierra, por lo que no hay órbita de luz alrededor de la Tierra. Para conseguir luz a la órbita de un objeto con la masa de la Tierra tendría que comprimir en un radio de menos de $13$ mm. Usted podría pensar que la compresión de la masa de la Tierra, esta mucho formaría un agujero negro, y que estaría pensando en el derecho de las líneas. Si $r_M$ es el radio de un agujero negro con una masa $M$, entonces el radio de la luz de la órbita es $1.5 r_M$.

Así que sólo se puede obtener de la luz a la órbita de si usted tiene un objeto que es un agujero negro o muy cerca de uno, pero en realidad es incluso más difícil que eso. La órbita en $1.5r_M$ es inestable, que es la más ligera desviación de un valor exactamente órbita circular hará que la luz de volar por el espacio o en espiral hacia abajo en el objeto/agujero negro.

Si estás interesado en saber más acerca de esto, la luz órbita alrededor de un agujero negro que se llama la esfera de fotones, y buscando en Google o esta va a encontrar un montón de artículos sobre el tema.

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Jacob Green Puntos 9

Yo voy a proponer una alternativa de respuesta. El título de la pregunta estipula que el campo debe ser del mismo TAMAÑO y masa que la Tierra. @John Rennie la respuesta anterior supone que la Tierra puede ser comprimido hasta una infinitamente pequeña esfera.

En este caso, no hay radio en el que la luz tiene una órbita cerrada. Como @Keshlam dijo, más cerca del centro, la mayor parte de la masa terrestre se distribuye por igual en todas las direcciones y la fuerza gravitacional sobre un objeto se anulan. La más fuerte de las fuerzas gravitacionales son en algún lugar cerca de la superficie de la Tierra, y debería ser bastante obvio que la luz aquí no es atrapado por la gravedad.

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Paul May Puntos 1

No debería la respuesta sólo será el radio de Schwarzchild? Nada en el interior y la luz no puede escapar. Nada de fuera y se va a escapar si apuntando lejos del horizonte de sucesos. Por lo que parece un rayo de luz justo en el radio de Schwarzchild para siempre órbita a esa distancia.

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LDC3 Puntos 3347

Hay una manera de conseguir un haz de luz a la órbita de la Tierra, pero se requeriría de un material especial (probablemente no se ha hecho aún). Usted necesitaría construir una barra de este material de vuelta a la Tierra. Este material se necesita para transmitir la luz sin absorberla (raro) y lo suficientemente densa como para tener un muy alto índice de refracción. Se necesita para reducir la velocidad de la luz igual a la velocidad a la órbita de la Tierra.

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Guill Puntos 832

Como se ha dicho, la pregunta presupone que hay una distancia (a partir de la superficie de dicha esfera) que causa un haz de luz para círculo de la esfera. Esta es una falsa (o no válido) asunción por cualquier "válido" como respuesta. Si el uso de cable de fibra óptica está permitido, entonces cualquier longitud de cable que los círculos de la esfera, sería una respuesta. Si estamos interesados en "doblar" el rayo de luz (por gravedad) de modo que tenga el mismo radio como el mencionado ámbito, necesitaríamos algo así como la masa y la densidad de una estrella de neutrones, por lo que la masa y la densidad de la tierra no va a hacer. Si se nos permite utilizar la masa de la tierra como un "punto de masa" (radio no se mantiene), entonces obtenemos la respuesta (13mm) ya previstas.

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