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重力是如何影响光的?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-04-01 08:56:24

爱因斯坦假设引力是四维时空结构的曲率。曲率取决于天体的能量和动量,这是引力产生的根本原因。太阳周围的曲率比地球大,因为太阳比地球有更多的质量(能量)。光如何受引力影响的概念都可以用时空曲率来解释。

光总是独自以直线传播。但任何天体的存在都会使光的路径弯曲。既然光的方式本身受到引力的影响,那么引力的真正来源就不可能是质量。在它的场方程中,爱因斯坦说重力的真正原因是能量和动量(光两者都有)。根据爱因斯坦的场方程:8 Gμν=πGTμν。

其中,Gμν是爱因斯坦的张量,用来描述时空的曲率,而Tμν是能量动量张量。G是重力常数。

爱因斯坦的方程将重力表示为时空的曲率,而不是任何力。此外,它还清楚地表明,引力的真正原因不是质量(如牛顿所说),而是天体所占用的能量和动量。因为光既有能量又有动量,所以它受到重力的影响。

由于在四维时空中事情变得困难,我们将采用一个放置事物的二维结构。如果光进入曲率内部,它所经过的路径必须是测地线。测地线是曲面上两点之间的最短距离(或路径)。

假设在二维平面上有一个等价三角形ABC。

重力是如何影响光的

每个顶点表示空间中的一个点,因此每个点之间的距离是固定的。如果任何天体沿着三角形的任何一条边移动,那么这条边的最短距离就会变得比以前更短,因为曲线的路径比直线的路径长。

重力是如何影响光的

另外,如果将天体放置在三角形的质心处,则所有的三条边都会以相同的比例弯曲。

A点到B点之间的距离现在比以前大了。类似的事情也发生在光上。光速是不变的,但由于A点到B点之间的距离更大,光需要走更多的路才能到达那里,这就需要更多的时间。假设在三角形ABC附近没有任何天体,假设光从A点到达B点需要1秒。在质心放置一个高引力的物体后,A点到B点的直线距离并不会缩短。因为光需要传播更长的距离,从a到达B需要超过1秒的时间,我们称之为夏皮罗时间延迟。

引力越受光的影响,就越会被延迟。

重力可以使光弯曲。我们称这种现象为引力透镜效应。这种现象在证明爱因斯坦的GR中发挥了重要作用。科学家们想要探测恒星在太阳后面的确切位置。那颗恒星发出的光应该沿着围绕太阳的弯曲路径到达地球,而不是被挡住。同样的事情发生了,科学家们得到了这颗隐藏恒星的两张图像。

根据光的性质,我们可以理解如何在二维织物中得到两张图像。但在3d空间中,光线可以从上到下。

因此,我们可以得到多个图像形成一条曲线,有时是一个圆的多个图像的单一目标。这个曲率的半径叫做爱因斯坦半径,这个圆叫做爱因斯坦环。这就是一个典型的理论物理概念如何成为美丽景象的原因。科学家们已经发现了一些由遥远星系的引力形成的爱因斯坦环。

假设一个人a在中子星表面,一个人B在外太空。B向中子星表面扔了一个白球。一旦球靠近地面,B人会看到球越来越红,而A人看到球越来越蓝。这是由引力红移和蓝移引起的。在他的GR中,爱因斯坦描述了重力减慢了时间流动的速度。天体表面的时间比外层空间的时间要慢(因为引力更大)。在引力红移中,入射光的波长被拉伸(或频率被压缩),使其在视觉光谱中向红色方向移动。光的波长是它的速度c与频率的比值。频率是光子在单位时间(秒)内振荡的次数。假设球上有一个时钟,两个观察者也有。对于B来说,1秒在球的时钟中会更长,因为球比他更接近地面。B的时钟早过了一秒。光子有更多的时间在球的框架内振荡,从人b的角度,光从球传到b,离开球的时候,我们说光的频率是50个单位。在帧B中,一秒的长度更短。所以光子没有足够的时间像在球的框架中那样振荡。因此,被B捕捉到的光的频率会更低。频率与波长成反比。光离开球的波长是L单位,但是B捕捉到了波长大于L单位的光。红光的波长最长,所以当它发生时,我们说光的波长向红光的波长偏移。通过使用相同的概念,我们可以理解重力蓝移是如何工作的。
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