Wieso können Photonen durch Gravitation abgelenkt werden?
Ich habe mich gerade gefragt wieso Photonen über Gravitation abgelenkt werden können, denn sie besitzen doch gar keine Masse. Wie geht das also?
4 Antworten
weil gravitation nicht direkt was mit masse zu tun hat.
du denkst wahrscheinlich an das Newtonsche gravitationsgesetz wie man es in der schule lernt, F= G * m1 * m2 / r² und glaubst daher, die gravitation wäre einfach nur proportional zur masse.
das Newtonsche gravitationsgesetz stellt aber nur eine näherung an die allgemeine relativitätstheorie (die heute gültige theorie zur beschreibung der gravitatio) dar, welche z.B. im fall von photonen ganz sicher nicht mehr gültig ist. hier musst du schon wirklich direkt die allgemeine relativitätstheorie bemühen.
hier wird der effekt den wir gravitation nennen hervorgerufen durch eine krümmung der raumzeit selbst, in welcher sich die objekte bewegen. wenn nun z.B. in der nähe der sonne eine starke krümmung herrscht, dann wird die bahn eine vorbeifliegenden objekts dadurch abgelenkt. da dies nur durch die veränderte eigenschaft des raums selbst geschieht, ist es völlig egal ob das vorbeifliegende objekt eine masse hat oder nicht. *
übrigends werden photonen nicht nur von der gravitation abgelenkt, sie üben auch obwohl sie masselos sind selbst eine gravitationswirkung aus. in der allgemeinen relativitätstheorie ist der quellterm für die raumkrümmung aber nicht einfach bloß die masse, sondern ein etwas komplizierterer ausdruck namens energie-impuls-tensor. darin gibt es insgesamt 16 komponenten (nicht alle unabhängig), und darin stehen z.B. energiedichte, impulsdichte, usw... . da die masse eines objekts einen beitrag zu seiner energie liefert, liefert sie somit auch indirekt einen gewissen beitrag zur gravitation (in manchen fällen eben den größten, sodass man als gute näherung wieder auf das newtonsche gravitationsgesetz kommt). photonen haben zwar keine masse, aber natürlich sehrwohl energie und impuls, und damit bewirkten sie auch einen gravitationseffekt.
* eigentlich könnte man sogar in der Newtonschen physik davon ausgehen, dass masselose objekte (soweit die im rahmen der klassischen physik überhaupt sinn machen) von der gravitation abgelenkt werden. die gravitationsbeschleunigung (nicht die kraft) ist nämlich ohnehin von der masse unabhängig (die kürzt sich raus), und daher kann man auch die ablenkung von masselosen teilchen im gravitationsfeld der sonne in der klassischen physik berechnen. es kommt halt ein falscher wert dabei raus, während die allgemeine relativitätsthteorie korrekte vorhersagen macht.
Bei einem wirklich masselosen Objekt wird die Geavitationskraft bei Newton direkt 0. Der Wert fur Photonen mit m = E / c^2 und der Geschwindigkeit c führt bei Newton ebenfalls zu einer Ablenkung, diese ist allerdings um den Faktor 2 gegenüber dem Wert der ART zu klein. Das liegt halt einfach daran, dass Newton in diesem Grenzfall nicht die richtige Theorie ist, die prinzipielle Ablenkung von Photonen ist aber keine Neuerung der ART
Sie haben Energie, daher auch eine Masse
m = E/c^2 = h * f / c^2.
Selbstverständlich haben sie keine Ruhemasse m0. Dies ist die Masse, welche Photonen in ihrem eigenen Bezugssystem hätten. Rein rechnerisch ist dieser Wert 0, allerdings gibt das ohnehin keinen Sinn, dein ein Ruhesystem für Photonen existiert nicht, sie bewegen sich in jedem Bezugssystem mit c.
(Aufpassen! Der Begriff Masse wird uneinheitlich verwendet. Entweder man meint den lorenzinvarianten Teil des Energie-IMpuls Tensors, dieser gibt die Masse im Ruhesystem an, Photonen haben dann also keine Masse, für bewegte Teilchen nimmt man dann einfach die Energie, oder man meint mit Masse die Größe, welche Trägheit und Schwere misst, dann ist m von der Geschindigkeit abhängig, dann haben auch Photonen eine Masse, und man braucht ein Symbol für die Ruhemasse. Keine der beiden Sichtweisen ist richtig oder falsch, es ist Definitionssache, man muss nur wissen, worüber der andere spricht).
Ein kleiner Schreibfehler, wie ich gerade sehe: Oben soll es natürlich heißen: "Energie - Impuls - Vektor" oder auch Impulsvierervektor.
Als Teilchen gesehen, könnte ein Photon tatsächlich nicht von Gravitation abgelenkt werden. Es unterliegt einzig und allein der elektromagnetischen Kraft. Aber - in diesem Fall wird die Ablenkung nicht direkt durch die Gravitation hervorgerufen, sonden durch die verzerrte (gekrümmte) Raumzeit. Photonen folgen stets der geradlinigen Raumzeit. Wird diese eben mal durch ein exterem massereiches Objekt gekrümmt, bewegen sie sich auf Umwegen um das Objekt an der Raumzeit weiter entlang.
Photonen werden nicht durch Gravitation abgelenkt! Sie sind masselos und wechselwirken in keiner Weise mit Gravitation, schlag's nach.
genau das IST gravitation. das sind nicht zwei verschiedene dinge, sondern ein und dasselbe.
Falsch. Die Gravitation ist eine Grundkraft und die gekrümmte Raumzeit eine Folge davon.
photonen wechselwirken gravitativ, sowohl aktiv als auch passiv (genaueres dazu in meiner antwort). das, was wir gravitation nennen, ist nichts anderes als eine konsequenz einer gekrümmten raumzeit.
photonen wechselwirken gravitativ, sowohl aktiv als auch passiv
So gesehen aktiv ja (es versteht sich, natürlich nicht in Bezug auf ihre Ruhemasse sondern ihre Energie), deswegen sind sie der Gravitation aber nicht unterlegen (das meinte ich im Allgemeinen mit "nicht wechselwirken"). Passiv nicht - Als Eichbosonen stellen sie eine fundamentale Wechselwirkung dar und dürfen daher auch allein ihrer eigenen Kraft unterlegen sein!
das, was wir gravitation nennen, ist nichts anderes als eine konsequenz einer gekrümmten raumzeit.
Umgekehrt - Du kennst bestimmt das Gravitationsbeispiel mit Laken und Kugel. Du sagst ja auch nicht, das gekrümmte Laken erzeugt das Gewicht der Kugel.
Als Eichbosonen stellen sie eine fundamentale Wechselwirkung dar und dürfen daher auch allein ihrer eigenen Kraft unterlegen sein!
auch das ist falsch. JEDE form von energie trägt zu einer raumzeitkrümmung und damit gravitation bei, ob eichboson oder nicht tut da überhaupt nichts zur sache. auch in einer quantisierten form der gravitation wechselwirken photonen und gravitonen.
und das licht durch gravitation abelenkt wird ist eine hundert jahre alte experimentelle tatsache.
Weißt du was, am besten du siehst dich mal in deinen Physikbüchern oder von mir aus auch auf Wikipedia (steht wie ich gesehen habe sogar dort richtig beschrieben) um. Sollte überall klar definiert sein: Photonen - Wechselwirkung:elektromagnetisch.
Selbiges trifft auf Gravitonen zu: Die einzige Wechselwirkung ist hier die Gravitation.
JEDE form von energie trägt zu einer raumzeitkrümmung und damit gravitation bei
Deshalb habe ich oben geschrieben, aktiv ja. Bezüglich Raumzeitkrümmung gebe ich dir Recht, ist eine Tatsache kann man nichts dagegen sagen. Aber das hat überhaupt nichts mit dem Hervorrrufen von Gravitation zu tun. Wie auch andere Eich-Bosonen (und das Higgs-Boson) stellen Gravitonen ein Feld dar, welches in der Raumzeit wirkt. Die Raumzeit ist sozusagen die Spielfläche der Kräfte.
ich denke ich habe genug physikbücher dazu gelesen. und da steht selbstverständlich drin das photonen (wie alles andere auch) gravitativ wechselwirken. und nein, gravitation und raumzeitkrümmung kann man nicht trennen, weil es keine zwei verschiedenen dinge sind.
wikipedia zitieren ist nicht immer ganz sicher (die englische ist bei physikalischen themen aber meist sehr gut), aber wenn du schon sagst ich sollte dort nachlesen:
Since photons contribute to the stress–energy tensor, they exert a gravitational attraction on other objects, according to the theory of general relativity. Conversely, photons are themselves affected by gravity; their normally straight trajectories may be bent by warped spacetime, as in gravitational lensing, and their frequencies may be lowered by moving to a higher gravitational potential, as in the Pound–Rebka experiment. However, these effects are not specific to photons; exactly the same effects would be predicted for classical electromagnetic waves.
und für die quantisierte form habe ich auf die schnelle jetzt z.B. das gefunden: http://arxiv.org/pdf/1410.4148.pdf
in section 5 wird der wirkungsquerschnitt für graviton-photon-streuung berechnet. darin steht dann auch:
However, the photon couplings to the graviton are identical to those ofa graviton coupled to a charged spin-1 system in the massless limit [...]
Ok beziehungsweise gravitativ wechselwirken. Einmal noch: aktiv ja, passiv nein. Und was Wikipedia angeht: ich baue sicher nicht darauf auf - da sind mir Bücher und Fachartikel lieber. Was deine Zitate angeht: Auch sie beschreiben einen ausschließlich aktiven gravitativen Effekt der Photonen. Und außerdem habe ich nicht behauptet man könne die Raumzeit von der Gravitation trennen, ich sagte die Gravitation wirkt in der Raumzeit (was ihre ständige Anwesenheit nicht ausschließt) und nicht anders herum.
aktiv bedeutet, sie üben selbst eine gravitationskraft aus, passiv bedeutet sie werden durch die gravitation abgelenkt. beides ist für photonen wahr (aus gründen der impulserhaltung kann nur beides oder keines von beiden wahr sein, nur aktiv oder nur passiv geht nicht).
aktiv bedeutet, sie üben selbst eine gravitationskraft aus
Ganz recht.
passiv bedeutet sie werden durch die gravitation abgelenkt.
durch die Raumzeit. Gravitation lässt sich quantifizieren. So "wechselwirken" sie passiv mit der Raumzeit, nicht der Gravitation. Einfacher ausgedrückt: Sie folgen den dimensionalen Ebenen.
beides ist für photonen wahr (aus gründen der impulserhaltung kann nur beides oder keines von beiden wahr sein, nur aktiv oder nur passiv geht nicht).
Ja, wohl wahr!
Lies bitte das nächste mal dein Physikbuch etwas genauer.
Das steht nicht drin, Photonen haben keine Masse sondern da steht:
Photonen haben keine Ruhemasse.
also eigentlich steht in den allermeisten physikbüchern schon dass photonen keine masse haben, weil der begriff "masse" und "invariante masse" (~ruhemasse) hier absolut synonym verwendet werden.
Ja, und in anderen Büchern, zum Beispiel von Ray D'Invernno, Einführung in die Relativitätstheorie, Falk, Relativitätstheorie und Gravitation (die beiden habe ich jetzt zum Beispiel) wird die Masse als Größe zur Beschreibung der Schwere und Trägheit verwendet. Es ist einfach eine Definitionssache, wenn man weiß, worüber der andere spricht, ist es gut.
doch.
und der gravitation.
genau das IST gravitation. das sind nicht zwei verschiedene dinge, sondern ein und dasselbe.