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Pruebas de la electrodinámica en el espaciotiempo curvo

Las teorías de campo en el espaciotiempo curvo suelen formularse integrando su Lagrangiano sobre el espaciotiempo curvo. Por ejemplo, para la electrodinámica, tenemos la acción

$$ S = \int d^4x \left( -\frac{1}{4} F^{\alpha \beta}F_{\alpha \beta} \sqrt{-g} + A_\alpha J^\alpha \right) $$

También se puede acoplar directamente a la gravedad. La ecuación del movimiento puede obtenerse entonces mediante el principio de Hamilton.

Aunque es un marco natural desde el punto de vista teórico, no conozco ninguna prueba experimental/observacional que respalde los resultados obtenidos a partir de dicha formulación.

¿Existen pruebas empíricas de que electrodinámica en el espaciotiempo curvo ?

Para el propósito de esta pregunta, sólo se trata de la EM clásica, aunque la evidencia de la QED en un espaciotiempo curvo (si la hay) sería aún mejor.

Esta pregunta se inspira en parte en ¿Cuál es la prueba más convincente de la relatividad general en presencia de materia y energía?

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barry Puntos 131

La electrodinámica clásica se estudia ciertamente en los espacios-tiempo curvos para comprender los fenómenos reales. ¿Qué mejor lugar para que la gravedad y el electromagnetismo trabajen juntos que el plasma ionizado y magnetizado que rodea a un agujero negro ?

En particular, observamos cuásares con chorros relativistas extremadamente potentes. Los cuásares son los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de las galaxias cuando acumulan materia y emiten grandes cantidades de luz. Gran parte de la energía emitida está en forma de chorros, y es natural preguntarse cómo se convierte la energía del sistema en esta forma. La respuesta que más se cree es la Proceso Blandford-Znajek en el que el acoplamiento de un campo magnético a un agujero negro en rotación extrae la energía rotacional del propio agujero negro.

El papel original y los que le siguen entran en mucho más detalle, pero el enfoque más sencillo es suponer que el continuo de plasma tiene una conductividad eléctrica infinita (magnetohidrodinámica ideal) y una masa despreciable (sin fuerzas). Los campos magnéticos se "congelan" en dicho fluido, y el arrastre de este fluido a través de la ergosfera da lugar al efecto

De hecho, todo el campo de la magnetohidrodinámica relativista general (GRMHD) se basa en el acoplamiento de la electrodinámica (y la evolución de los fluidos) al espaciotiempo curvo. A veces se trata de un acoplamiento unidireccional a un espaciotiempo estacionario, como es suficiente para estudiar sistemas en los que la tensión-energía está dominada por un agujero negro cercano. En otros casos, como el estudio de las supernovas de colapso del núcleo o las fusiones de estrellas de neutrones, el campo de materia/EM afecta a la evolución dinámica del propio espaciotiempo. Por tanto, yo diría que una amplia franja de la astrofísica de altas energías utiliza (y por tanto pone a prueba) la electrodinámica en un espaciotiempo curvo a diario.

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Thelema Puntos 2697

Un ejemplo muy sencillo de electromagnetismo en el espaciotiempo curvo es la curvatura observada de la luz debido a los campos gravitatorios. Normalmente esto se presenta como la afirmación de que "los fotones siguen geodésicas nulas". Esta afirmación puede derivarse en una aproximación de óptica geométrica a las ecuaciones de Maxwell en el espaciotiempo curvo (es decir, no es sólo un postulado adicional en la RG). Supongamos que el potencial tiene la forma

$$A_\mu(x) = \epsilon_\mu(x) A(x) e^{i \phi(x)},$$

donde la polarización $\epsilon_\mu (x)$ y la amplitud $A(x)$ varían lentamente en comparación con la fase $\phi(x)$ . Entonces, a partir de las ecuaciones de Maxwell (y una condición gauge apropiada para $A_\mu$ ) se puede derivar que el frente de onda $\nabla_\mu \phi$ es un vector nulo que también es geodésico.

El hecho de que hayamos observado lentes gravitacionales en muchísimas imágenes de telescopios (como este tipo feliz ) es una confirmación de la electrodinámica en el espaciotiempo curvo.

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