Jak światło wpływa na wszechświat?

Kiedy światło jest emitowane na przykład przez gwiazdę, gwiazda traci energię - co powoduje zmniejszenie jej grawitacji. Następnie energia ta rozpoczyna podróż przez potencjalnie miliardy lat, aż dotrze do jakiegoś innego obiektu.

Kiedy to światło osiągnie powierzchnię, na przykład inną gwiazdę lub galaktykę, poda tę energię do gwiazdy docelowej w postaci ciepła. To powoduje, że odbiornik zwiększa swoją energię, co z kolei przywraca rodzaj równowagi. Powoduje to również, że odbiornik ponownie emituje niewielką ilość więcej światła, prawie jak odbicie.

Będzie również wywierać nacisk na powierzchnię odbierającą, gdy dotrze do miejsca docelowego, czy to gwiazdy, skały czy czegokolwiek innego.

Ale kiedy to światło przemieszcza się w przestrzeni, jego energia jest „niedostępna” dla reszty wszechświata. Oczywiście zadaję następujące pytanie:

Czy światło będzie powodować grawitację podczas podróży?

Każda gwiazda emituje światło we wszystkich kierunkach i ostatecznie osiągnie każdą inną gwiazdę we wszechświecie. W każdym punkcie wszechświata musi istnieć ciągły promień światła pochodzący z każdej innej gwiazdy we wszechświecie, która ma bezpośrednią ścieżkę do tego punktu. Biorąc pod uwagę, że wszystkie gwiazdy na niebie wysyłają fotony, które docierają do każdego centymetra kwadratowego powierzchni ziemi, ciśnienie powinno sumować się, aby być dość duże.

Czy wielkość ciśnienia jest naprawdę znikoma, biorąc pod uwagę, że każdy atom na dowolnej powierzchni otrzymuje światło z każdego źródła światła na niebie?

W oparciu o obliczenia znalezione na stronie http://solar-center.stanford.edu/FAQ/Qshrink.html Słońce w trakcie swojego życia wyemituje 0,034% swojej masy całkowitej w postaci energii. Zakładając, że słońce jest średnie i że we wszechświecie jest około 10 ^ 24 gwiazd, a wszystkie te gwiazdy są w połowie swojego życia, energia powinna wynosić około 1,7 * 10 ^ 22 rozmieszczonych słońc w całym wszechświecie.

Stare pytanie, ale zajmę się czymś, co nie zostało poruszone w poprzednich odpowiedziach.

Photony Fotony CMB (na pierwsze zamówienie)$\simeq$

Jak już powiedzieli inni: tak, światło ma energię, a zatem grawituje. Większość fotonów, które przenikają Wszechświat, nie jest jednak pochodzenia gwiazdowego, ale w rzeczywistości jest kosmicznym tłem mikrofalowym, którego gęstość energii jest o kilka rzędów wielkości większa niż w przypadku innych fotonów, co widać na wykresie od tej odpowiedzi do „ Gęstość liczbowa fotonów CMB ” . Pod względem gęstości liczbowej występuje 4-500 fotonów na cm .$^3$

Przestrzeń jest duża i izotropowa

Ponieważ fotony CMB są rozmieszczone izotropowo, tak małe ciśnienie promieniowania jest równe we wszystkich kierunkach, a zatem jest anulowane. I chociaż cały czas jesteśmy bombardowani zarówno przez fotony CMB, jak i gwiezdne, przestrzeń jest tak zadziwiająco duża ( D. Adams, 1978 ), że jeśli weźmie się pod uwagę przypadkowy foton we Wszechświecie, prawdopodobieństwo, że w ogóle trafi w cokolwiek jest nieistotny. Około 90% fotonów CMB podróżowało przez 13,8 miliarda lat, nie dotykając niczego; pozostałe 10% oddziaływało z wolnymi elektronami, które zostały uwolnione po reionizacji, ale nie zostały zaabsorbowane, a jedynie spolaryzowane, a większość z tych interakcji miała miejsce wkrótce po reionizacji; do tej pory Wszechświat po prostu za bardzo się rozszerzył.

Fotony są przesunięte ku czerwieni

Chociaż w fotonach znajduje się energia, a zatem zwiększają one grawitację, po pierwsze są one równomiernie rozmieszczone we Wszechświecie (a zatem przyciągają się jednakowo we wszystkich kierunkach), a po drugie ich gęstość energii jest nieznaczna w porównaniu do barionów („materia normalna” jak gaz, gwiazdy i planety), ciemna materia i ciemna energia. W rzeczywistości ich względne gęstości to . Ale nie zawsze tak było. W miarę rozszerzania się Wszechświata i tworzenia nowej przestrzeni gęstość materii maleje jako , gdzie1 / a 3 a a 1 / a $\{\rho_\mathrm{bar},\rho_\mathrm{DM},\rho_\mathrm{DE},\rho_\mathrm{phot}\}/\rho_\mathrm{total} = \{0.05,0.27,0.68,10^{-4}\}$$1/a^3$$a$to współczynnik skali („rozmiar”) Wszechświata. To samo dotyczy fotonów, ale ponieważ dodatkowo są przesunięte ku czerwieni proporcjonalnie do , ich gęstość energii spada jako . Oznacza to, że gdy cofniesz się w czasie, relatywny udział fotonów w budżecie energetycznym wzrasta i faktycznie, dopóki wszechświat nie miał 47 000 lat, jego dynamika była zdominowana przez promieniowanie.$a$$1/a^4$

Tak, światło grawituje. Ładunek grawitacyjny to energia. Cóż, grawitacja jest siłą spin-2, więc naprawdę masz również pęd i stres, ale są one analogiczne do uogólnienia prądu elektrycznego.

Ogólnie rzecz biorąc, wszystko, co przyczynia się do tensora energii naprężenia, będzie miało pewien efekt grawitacyjny, a światło to robi, mając zarówno gęstość energii, jak i wywierając nacisk w kierunku propagacji.

Ale kiedy to światło przemieszcza się w przestrzeni, jego energia jest „niedostępna” dla reszty wszechświata.

Nie do końca. Wciąż grawituje. Era zdominowana przez promieniowanie miała jednak miejsce około 50 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, ale to już przeszłość. Dzisiaj grawitacyjny efekt promieniowania jest znikomy z kosmologicznego punktu widzenia. Żyjemy w okresie przejściowym między erą zdominowaną przez materię i zdominowaną przez ciemną energię.

Biorąc pod uwagę, że wszystkie gwiazdy na niebie wysyłają fotony, które docierają do każdego centymetra kwadratowego powierzchni ziemi, ciśnienie powinno sumować się, aby być dość duże.

Nacisk światła na dowolną powierzchnię jest proporcjonalny do gęstości energii padającej na nią. Możemy więc sprawdzić tę linię rozumowania bezpośrednio, obserwując, że niebo jest ciemne w nocy.

To, dlaczego w nocy jest ciemno, zasługuje prawdopodobnie na własne pytanie (por. Także paradoks Olbersa ), ale jest całkiem jasne, że w rzeczywistości jest dość małe. Aby być uczciwym, powinniśmy sprawdzić więcej niż widoczny zakres, ale mimo to niebo jest dość ciemne. Zatem średnie ciśnienie światła jest bardzo małe.

Mamy zaszczyt być blisko gwiazdy, ale nawet w ciągu dnia ciśnienie światła spowodowane przez Słońce jest rzędu mikroskali.

... powinna istnieć energia równa grawitacji około 1,7 * 10 ^ 22 słońc rozmieszczonych w całym wszechświecie.

A to niewielka ilość. Jak właśnie powiedziałeś, jest to odpowiednik około 0,034% całkowitej masy gwiazd we wszechświecie, co z kolei stanowi zaledwie ułamek materii we wszechświecie. Dlaczego więc jesteś zaskoczony, że jego efekt jest znikomy? To dosłownie tysiące razy mniej niż niepewność w pomiarach ilości materii we wszechświecie.

Światło powoduje grawitację podczas podróży, jasne tak, dzięki słynnej równowadze masy i energii Einsteina . (Porównaj tę dyskusję na StackExchange .)

Grawitacyjne przyciąganie światła jest nieistotne dla innych mas na dużą skalę. Tylko niewielka część masy gwiazdy jest przekształcana w światło w trakcie swojego życia, a tylko niewielka część zwykłej materii była kiedykolwiek gwiazdą. Część zwykłej materii (standardowe cząstki modelowe) składa się z neutrin (neutrina i elektrony są leptonami). Materia barionowa składa się głównie z wodoru i części helu (jąder) powstałych wkrótce po Wielkim Wybuchu.

Niewielki ułamek masy gwiazdy składa się z fotonów przemieszczających się z gwiazdy. Podróż może trwać miliony lat .

Wpływ światła na asteroidy nie jest bez znaczenia, ale nie jest to przyciąganie grawitacyjne. To głównie efekt YORP . Światło wpływa również na pył.