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I fotoni piegano lo spaziotempo o no?

I nostri migliori ricercatori hanno esaurito le loro scorte di caffè, nella loro notte e giorno alla ricerca della soluzione, finché Pedro non ha trovato la risposta su Beanstalk, quindi oggi la condivide con noi.

Soluzione:

Classico I campi elettromagnetici trasportano energia e quantità di moto e quindi causano la curvatura dello spazio. Ad esempio, il campo elettromagnetico intorno a un buco nero carico viene preso in considerazione quando si trovano le metriche di Reissner-Nordstrom e Kerr-Newman.

La domanda se i fotoni causano la curvatura dello spaziotempo è una domanda che riguarda quantistico gravità, e non abbiamo una teoria accettata della gravità quantistica. Tuttavia, disponiamo di metodi standard per quantizzare le perturbazioni lineari di una metrica e riviste autorevoli come Physical Review D hanno pubblicato articoli sullo scattering fotone-fotone mediato da gravitoni, come questo del 2006. Se tali calcoli non sono più mainstream, per me è una novità. Dato che i fotoni hanno energia e quantità di moto, mi sorprenderebbe che non inducano curvatura.

Noto anche che l'espansione dell'universo primordiale "dominato dalla radiazione" è stata causata da ciò che viene generalmente descritto come una fotone gas e non come un campo elettromagnetico classico. Quindi l'idea che i fotoni pieghino lo spaziotempo fa parte della cosmologia mainstream, come il modello standard Lambda-CDM.

Infine, l'idea di un kugelblitz non ha senso per me se i fotoni non piegano lo spaziotempo.

Quindi, in Rennie contro Safesphere, io sono dalla parte di Rennie, ma attendo che Safesphere difenda la sua posizione in una risposta concorrente.

Addendum:

Safesphere ha rifiutato di rispondere; in un commento ora rimosso, ha detto che la risposta di knzhou spiega il disaccordo. Non sono d'accordo. Non sono d'accordo con knzhou sul fatto che "piegare lo spaziotempo" sia vago. È comunemente inteso dalla maggior parte dei fisici come "contribuisce al tensore energia-momento sul lato destro delle equazioni di campo di Einstein". E la maggior parte dei fisici ritiene che i fotoni reali facciano esattamente questo, per le ragioni che Ben Crowell e io abbiamo esposto.

Nella relatività generale classica, i campi elettromagnetici piegano lo spaziotempo. Essi hanno un tensore stress-energia non variabile e le equazioni di campo di Einstein mettono in relazione lo stress-energia con la curvatura.

Abbiamo anche una prova sperimentale abbastanza diretta che i campi elettromagnetici interagiscono gravitazionalmente in questo modo, da esperimenti simili a quelli di Cavendish. Si veda Kreuzer, Phys. Rev. 169 (1968) 1007, che può essere interpretato come una conferma della correttezza dell'accoppiamento della gravità alle componenti di pressione dell'energia di stress. Per una discussione dei test di Kreuzer e di altri simili, tra cui il laser ranging lunare, si veda Will, "The Confrontation between General Relativity and Experiment" (Il confronto tra relatività generale ed esperimento).

Possiamo anche confermare che questo vale per le onde elettromagnetiche, non solo per i campi statici. Una conferma empirica di ciò viene dal fatto che i modelli di nucleosintesi del Big Bang (BBN) concordano abbastanza bene con i dati osservati su elementi come il rapporto H/He; durante il periodo BBN, la gravità cosmologica era dominata dalla radiazione.

E

Ciò significa che il fascio "in uscita" non è parallelo a quello "in entrata". In altre parole, la quantità di moto del fascio (e dei fotoni che lo costituiscono) ha cambiato direzione. Questo, a sua volta, significa che anche la quantità di moto dell'oggetto massivo è cambiata per compensare la variazione di quantità di moto del fascio di laser. L'unico modo in cui l'oggetto massivo può acquisire questa quantità di moto (le tre forze fondamentali non sono coinvolte) è a causa di uno spaziotempo curvo prodotto dal fascio di laser che consiste di fotoni reali.

Senza il fascio di fotoni, la curvatura intorno alla massa è sfericamente simmetrica, come ha scritto giustamente Peter A. Schneider in un commento qui sotto. L'unico modo in cui il corpo massivo può acquisire quantità di moto è quando la curvatura dello spaziotempo che lo "circonda" è asimmetrica. È ovvio che il fascio di laser è responsabile di questa asimmetria. Il che significa che i fotoni fanno curvano lo spaziotempo.

EDIT
Nella risposta data qui sotto da Ben Crowell (qualcuno che sa di cosa sta parlando) leggo:

Sarebbe anche estremamente problematico se i raggi di luce non producessero campi gravitazionali, perché abbiamo studi dettagliati che confermano che la lente gravitazionale funziona come previsto da GR. Se il campo gravitazionale della materia influenzasse la quantità di moto dei raggi luminosi, ma non il contrario, allora la conservazione della quantità di moto sarebbe violata. Questo genere di cose è discusso nella sezione 4.1.1 di Will ed è parametrizzato da γ nel quadro PPN. Una serie di esperimenti vincola γ ad essere uguale al valore di GR a circa 10-4.

Ora, non mi interessa troppo la reputazione di qualcuno e sottolineare che: "Ma il famoso signor X ha detto.", ma in questo caso trovo strano che nessuno abbia detto che la sua argomentazione è circolare (cosa che io ovviamente penso sia non). Certo, ha dato anche molte altre ottime informazioni, ma comunque.

Ricorda che puoi optare per l'opzione parafrasi se ti è stata utile.



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