La gravité ralentit-elle ou accélère-t-elle?

La vitesse de la lumière dans le vide est probablement la vitesse la plus rapide possible.

si la gravité plie le cours de la lumière, cela signifie-t-il que la gravité retarde la lumière pour qu'elle se déplace à une vitesse plus lente? Si elle affecte son cours, pourquoi la gravité ne peut-elle pas affecter sa vitesse - ou le fait-elle?

Et si la gravité affecte la vitesse de la lumière, qu'est-ce que cela dit de nos mesures de la distance à l'objet observable le plus éloigné? Pouvons-nous supposer que tous les effets de la gravité sur 15 milliards d'années-lumière se compensent? Ou la distance réelle à travers l'univers observable est-elle sujette à des variations inconnaissables dues aux effets de la gravité?

Comme le dit Walter, la gravité ne plie pas la lumière. La lumière se déplace le long de géodésiques nulles, un type particulier de trajectoire droite. Étant donné que les géodésiques (affines) ne changent pas de direction par définition, les trajectoires géométriquement légères sont droites. De plus, la vitesse de la lumière dans le vide est$c$ dans chaque châssis inertiel, que l'espace-temps soit ou non courbé, bien qu'un châssis inertiel courbe-temps ne puisse être que local.

Ce qui peut changer, cependant, c'est la vitesse coordonnée de la lumière. Étant donné que les coordonnées ne sont que des étiquettes pour les événements d'espace-temps, cela est vrai même dans un espace-temps complètement plat. Par exemple, dans le graphique de coordonnées Rindler, la métrique Minkowski de l'espace-temps plat prend la forme

$$\mathrm{d}s^2 = -\frac{g^2x^2}{c^2}\,\mathrm{d}t^2 + \underbrace{\mathrm{d}x^2 + \mathrm{d}y^2 + \mathrm{d}z^2}_{\mathrm{d}S^2_\text{Euclid}}\text{,}$$ où $g$a des unités d'accélération. Puisque la lumière se déplace le long de null ($\mathrm{d}s^2 = 0$) Wordlines, la vitesse coordonnée de la lumière est $$\frac{\mathrm{d}S}{\mathrm{d}t} = \frac{|gx|}{c}\text{,}$$ qui dépend de la position et peut même être $0$, car il y a un horizon d'événement apparent. Un observateur stationnaire en coordonnées Rindler a en fait une bonne accélération$g$, donc le diagramme de Rindler de l'espace-temps plat est un analogue naturel d'un "champ gravitationnel uniforme".

si la gravité plie le cours de la lumière, cela signifie-t-il que la gravité retarde la lumière pour qu'elle se déplace à une vitesse plus lente?

Non, mais ce que nous pouvons dire, c'est ceci. Pour les champs gravitationnels faibles qui changent lentement, la métrique suivante est appropriée pour décrire l'espace-temps en termes de potentiel gravitationnel newtonien$\Phi$:

$$\mathrm{d}s^2 = -\left(1+2\frac{\Phi}{c^2}\right)c^2\,\mathrm{d}t^2 + \left(1-2\frac{\Phi}{c^2}\right)\,\mathrm{d}S^2\text{,}$$ car nous pouvons facilement calculer la vitesse coordonnée de la lumière (encore une fois $\mathrm{d}s^2 = 0$): $$\frac{\mathrm{d}S}{\mathrm{d}t} = c\sqrt{\frac{1+2\Phi/c^2}{1-2\Phi/c^2}}\text{,}$$ et donc en élargissant sa réciproque dans une série de Taylor-MacLaurin, nous constatons que la lumière voyage " comme si " nous avions un indice de réfraction $$n = c \frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}S} \approx 1 - 2\frac{\Phi}{c^2} + \mathcal{O}\left(\frac{\Phi^2}{c^4}\right)\text{.}$$

Si nous gardons à l'esprit que nous n'avons affaire qu'à la vitesse coordonnée de la lumière, alors oui, nous pourrions dire que la gravité (plutôt le potentiel gravitationnel) retarde la lumière. Une autre façon de penser est la suivante: si nous prétendons que nous avons affaire à un espace-temps Minwkoski plat ordinaire dans les coordonnées inertielles habituelles, alors nous avons besoin d'un milieu avec l'indice de réfraction ci-dessus pour reproduire les trajectoires de la lumière. Mais bien sûr, prendre cela littéralement n'est pas légitime, car (1) la métrique affecte plus que la propagation de la lumière, et (2) une telle interprétation ne parviendrait pas à expliquer le redshift gravitationnel.

Cette dernière approche est moralement similaire à ce qui est décrit dans la réponse de Walter, car elle dépend d'une comparaison hypothétique avec un espace-temps plat. La différence est qu'en se limitant à parler de ce qui se passe loin des corps gravitationnels, Walter peut contourner le problème du décalage vers le rouge gravitationnel, mais ne peut ensuite attribuer aucun indice de réfraction local (du côté positif, son approche ne se limite pas à faible, lentement- changement de gravité).

Et si la gravité affecte la vitesse de la lumière, qu'est-ce que cela dit de nos mesures de la distance à l'objet observable le plus éloigné? Pouvons-nous supposer que tous les effets de la gravité sur 15 milliards d'années-lumière se compensent?

Nos modèles cosmologiques supposent que l'univers est à grande échelle homogène et isotrope, une hypothèse qui est appuyée par des observations des parties de celui-ci que nous pouvons voir. Dans un univers homogène et isotrope, il est assez facile de rendre compte du comportement de la lumière lors de sa traversée. Donc non, nous n'avons pas besoin de supposer que les effets de la gravité se compensent eux-mêmes - au contraire, nous utilisons de tels effets gravitationnels sur la lumière pour ajuster les paramètres de nos modèles.

La gravité n'affecte pas la vitesse de la lumière. Elle affecte la géométrie spatio-temporelle et donc les trajets de la lumière. Cependant, cela peut avoir un effet similaire.

Lumière émise à la source $S$ passer un objet massif $M$qui est très proche du chemin droit sinon (si M n'était pas là) vers un observateur$O$ doit "faire le tour" $M$, ce qui prend plus de temps que de suivre le chemin droit en l’absence de $M$. La lumière qui atteint$O$ de $S$ n'est pas émis par $S$ dans la "droite" (en l'absence de $M$) direction vers $O$, mais légèrement dans cette direction, de sorte que la "flexion" de son trajet par la gravité de $M$ le "dévie" sur $O$.

Bien sûr, la lumière n'est jamais courbée, mais suit toujours un chemin droit. Ce qui est courbé, c'est l'espace-temps par rapport à l'espace-temps euclidien en l'absence de masses déformantes (voir: géodésique ). Cette distorsion dans le tissu de l'espace-temps est appelée lentille gravitationnelle .

C'est difficile, d'autant plus que je n'ai pas l'habitude de donner des explications en termes non techniques.

En commençant par le haut:

Conditionnellement oui. Dans l'espace le plus vide possible - pas celui entre les étoiles, pas celui entre les galaxies, pas celui entre les familles de galaxies et ainsi de suite ..... dans l'espace le plus vide entre les superamas de galaxies, là c'est à son plus rapide, où la gravité est à son plus faible.

Si vous aviez le temps de le faire, et un joli trou noir clair cible et a tiré un laser bleu juste à l'horizon des événements d'un côté (disons qu'il transmet l'ensemble des œuvres de Shakespeare suivi du reste du projet Gutenberg) - dans de telle sorte qu'il a parcouru tout le tour puis est revenu dans votre direction, comme une fronde de la lune que la première orbite de la lune a fait, que se passerait-il? La couleur de la lumière changerait-elle?

Plus le faisceau se rapproche de l'horizon des événements, plus l'espace est étiré - pensez-y de cette façon, alors la lumière doit voyager plus loin, et de même tout autour du trou noir - plus près de l'horizon des événements, plus le puits est profond , plus l'espace est étiré et plus la lumière met de temps à se déplacer. De votre point de vue, le trou noir est à X distance, le chemin emprunté par la lumière est Y en longueur apparente. À l'aide de votre règle de calcul pratique, vous calculez que la mégère apprivoisée devrait arriver au moment Z.

Ça n'arrive pas à l'heure. Pourquoi? Rappelez-vous que la lumière a dû emprunter un très long chemin en raison de la densité du champ de gravité qui rend le voyage plus long. Quand il apparaît enfin De quelle couleur est-il? Toujours bleu - cela ne dépend pas si le trou noir s'éloigne ou se rapproche - il n'y a pas de décalage rouge ou bleu. (Je suis légèrement malhonnête ici car la longueur d'onde se serait déplacée d'une minute vers le rouge - il le fait en se déplaçant, plus il le fait, plus il se déplace, en partie à partir de collisions avec des atomes flottants libres qui absorbent puis réémettent à un fréquence plus basse, par exemple le big bang (très chaud) - la lumière qui en résulte est en effet une très longue longueur d'onde (rouge décalé à l'extrême) mais l'espace est en expansion, souvenez-vous. Pour le dire en bref, l'entropie ne peut pas être inversée.

La chose étrange est la distance parcourue par la lumière du point de vue de l'observateur qui a tiré le laser, il extrapolerait que les ondes lumineuses contenant la musaraigne, car elles sont arrivées si tard, ont non seulement ralenti mais se sont rapprochées (bleu décalé) - mais quand il revient à l'observateur, c'est juste la même couleur qu'auparavant. (L'espace s'est allongé apparemment, cela expliquerait cela, n'est-ce pas?)

Dire que la gravité ralentit la lumière revient à dire qu'une bouilloire surveillée ne bout jamais, elle a une sorte de vérité d'un point de vue particulier - un point de vue perceptuel.

En regardant l'univers entier, il y a des points chauds et froids visibles, des endroits avec de plus en moins de matière - cela peut être observé. Le problème que nous avons en ce moment concerne la matière noire et l'énergie noire.

Nous avons commencé par des observations dans notre propre système solaire. Les objets éloignés sont tous mesurés les uns par rapport aux autres. Un grand nombre d'observations sont faites de nombreux objets, leur luminosité, leur luminosité agrégée, leur décalage rouge ou bleu - et intéressant leur changement de décalage Doppler. Différents types d'étoiles différentes, des étoiles pulsantes, des étoiles qui émettent un rayonnement dur, des étoiles co-orbitales de toutes sortes, les disques d'accrétion au centre des galaxies et leurs températures, Cette accumulation de données depuis Copernic, ou du moins depuis la Renaissance a tout ont été mis en place, ajustant en cours de route en tenant compte des changements de paradigme changeant du monde tels que la relativité, et d'énormes progrès dans la résolution de nos observations de l'univers, à partir des plates-formes terrestres et spatiales (nous pensons!