Klassische elektromagnetische Felder tragen Energie und Impuls und verursachen daher eine Raumzeitkrümmung. Beispielsweise wird das EM-Feld um ein geladenes Schwarzes Loch berücksichtigt, wenn die Reissner-Nordstrom- und Kerr-Newman-Metriken ermittelt werden.

Die Frage, ob Photonen eine Raumzeitkrümmung verursachen, ist eine Frage der Quantengravitation , und wir haben keine akzeptierte Theorie der Quantengravitation. Wir haben jedoch Standardmethoden zur Quantifizierung linearer Störungen auf eine Metrik, und renommierte Fachzeitschriften wie Physical Review D haben Artikel über Gravitonen-vermittelte Photon-Photon-Streuung wie diese aus dem Jahr 2006 veröffentlicht Berechnungen sind kein Mainstream mehr, das sind Neuigkeiten für mich. Angesichts der Tatsache, dass Photonen Energie und Impuls haben, würde es mich überraschen, wenn sie keine Krümmung induzieren.

Ich stelle auch fest, dass die Expansion des "strahlungsdominierten" frühen Universums durch das verursacht wurde, was allgemein als Photonengas und nicht als klassisches elektromagnetisches Feld beschrieben wird . Die Idee, dass Photonen die Raumzeit biegen, ist Teil der Mainstream-Kosmologie, wie beispielsweise das Standard-Lambda-CDM-Modell.

Schließlich macht die Idee eines Kugelblitz für mich keinen Sinn, es sei denn, Photonen biegen die Raumzeit.

In Rennie gegen Safesphere bin ich also auf der Seite von Rennie, aber ich freue mich darauf, dass Safesphere seine Position in einer konkurrierenden Antwort verteidigt.

Nachtrag:

Safesphere lehnte eine Antwort ab. In einem jetzt entfernten Kommentar sagte er, dass die Antwort von knzhou die Meinungsverschiedenheit erklärt. Ich stimme nicht zu. Ich bin mit Knzhou nicht einverstanden, dass "Biegen der Raumzeit" vage ist. Unter den meisten Physikern wird allgemein verstanden, dass "zum Energie-Impuls-Tensor auf der rechten Seite der Einstein-Feldgleichungen beiträgt". Und die meisten Physiker glauben, dass echte Photonen genau dies tun, aus den Gründen, die Ben Crowell und ich angegeben haben.

In der klassischen allgemeinen Relativitätstheorie biegen elektromagnetische Felder die Raumzeit. Sie haben einen nicht verschwindenden Spannungsenergietensor, und die Einstein-Feldgleichungen beziehen die Spannungsenergie auf die Krümmung.

Wir haben sogar ziemlich direkte experimentelle Beweise dafür, dass elektromagnetische Felder auf diese Weise gravitativ interagieren, aus Cavendish-ähnlichen Experimenten. Siehe Kreuzer, Phys. Rev. 169 (1968) 1007, was so interpretiert werden kann, dass die Richtigkeit der Kopplung der Schwerkraft an die Druckkomponenten der Spannungsenergie bestätigt wird. Eine Diskussion über Kreuzer und ähnliche Tests, einschließlich der Entfernung von Mondlasern, finden Sie in Will, „ Die Konfrontation zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Experiment“. Das Kreuzer-Experiment wird in Abschnitt 4.4.3 erörtert.

Wir können auch bestätigen, dass dies für elektromagnetische Wellen gilt, nicht nur für statische Felder. Eine empirische Bestätigung dafür ist die Tatsache, dass Modelle der Urknallnukleosynthese (BBN) ziemlich gut mit beobachteten Daten zu Dingen wie dem H / He-Verhältnis übereinstimmen; Während der BBN-Periode war die kosmologische Schwerkraft strahlungsdominiert.

Es wäre auch äußerst problematisch, wenn Lichtstrahlen keine Gravitationsfelder erzeugen würden, da wir detaillierte Studien haben, die bestätigen, dass Gravitationslinsen wie von GR vorhergesagt funktionieren. Wenn das Gravitationsfeld der Materie den Impuls der Lichtstrahlen beeinflussen würde, aber nicht umgekehrt, würde die Erhaltung des Impulses verletzt. Diese Art von Dingen wird in Abschnitt 4.1.1 von Will besprochen und durch $ \ gamma $ span> im PPN-Framework parametrisiert. Eine Vielzahl von Experimenten beschränkt $ \ gamma $ span> auf den GR-Wert auf ungefähr $ 10 ^ {- 4} $ .

Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass die Situation anders ist, wenn das elektromagnetische Feld quantisiert wird.Nach dem Korrespondenzprinzip müssen Photonen Gravitationsfelder erzeugen, wenn die Bedingungen so sind, dass die klassische Theorie eine gute Annäherung darstellt (kohärente Zustände mit vielen Photonen).In dem Fall, in dem die klassische Theorie ungültig ist und wir wirklich über Photonen sprechen müssen, ist das Beste, was wir derzeit tun können, ohne eine echte Theorie der Quantengravitation, die semiklassische Gravitation.Die semiklassische Schwerkraft ersetzt den Spannungsenergietensor $ T $ span> in den Einstein-Feldgleichungen durch seinen Erwartungswert $ \ langle T.\ rangle $ span>. $ \ langle T \ rangle $ span> kann leicht ungleich Null sein.

Stellen Sie sich einen isolierten, kugelförmigen und homogenen kugelförmigen Körper irgendwo im Weltraum und mit einer Geschwindigkeit von Null vor (von einem lokalen Trägheitsrahmen aus gesehen). Wenn wir ein paralleles Bündel (um mehr Energie zu erzeugen) einer hohen Anzahl von hochenergetischen kontinuierlichen Laserstrahlen (jeder Strahl besteht aus realen Photonen, die räumlich und zeitlich kohärent sind; siehe hier) diese Masse weiterleiten lassen Auf der einen Seite ändert dieses Bündel aufgrund der Krümmung der Raumzeit um das massive Objekt seine Richtung zum Objekt.

Dies bedeutet, dass das "ausgehende" Bundle nicht parallel zum "eingehenden" ist. Mit anderen Worten, der Impuls des Bündels (und der Photonen, aus denen es besteht) hat die Richtung geändert. Dies bedeutet wiederum, dass sich der Impuls des massiven Objekts geändert hat, um auch die Impulsänderung des Laserbündels zu kompensieren. Der einzige Weg, wie dieses massive Objekt diesen Impuls erhalten kann (die drei Grundkräfte sind hier nicht beteiligt), ist eine gekrümmte Raumzeit, die von den Bündellasern erzeugt wird, die aus realen Photonen bestehen.

Ohne das Photonenbündel ist die Krümmung um die Masse sphärisch symmetrisch, wie Peter A. Schneider in einem Kommentar unten richtig geschrieben hat. Der massive Weg für den massiven Körper, Impulse zu erhalten, besteht darin, dass die Krümmung der Raumzeit, die ihn "umgibt", asymmetrisch ist. Es ist offensichtlich, dass das Laserbündel für diese Asymmetrie verantwortlich ist. Was bedeutet, Photonen do Kurve Raumzeit.

EDIT In der Antwort von Ben Crowell (jemand, der weiß, wovon er spricht) habe ich gelesen:

Es wäre auch äußerst problematisch, wenn Lichtstrahlen keine Gravitationsfelder erzeugen würden, da wir detaillierte Studien haben, die bestätigen, dass Gravitationslinsen wie von GR vorhergesagt funktionieren.Wenn das Gravitationsfeld der Materie den Impuls der Lichtstrahlen beeinflussen würde, aber nicht umgekehrt, würde die Erhaltung des Impulses verletzt.Diese Art von Dingen wird in Abschnitt 4.1.1 von Will diskutiert und durch γ im PPN-Framework parametrisiert.Eine Vielzahl von Experimenten beschränkt γ auf einen GR-Wert von etwa 10–4

Jetzt ist mir der Ruf von jemandem nicht so wichtig und ich weise darauf hin: "Aber der berühmte Mr. X hat gesagt ...", aber in diesem Fall finde ich es seltsam, dass niemand gesagt hat, dass sein Argument zirkulär ist (vonwas ich offensichtlich denke, es ist not).Natürlich gab er auch viele andere tolle Informationen, aber trotzdem ...

Beide Poster sind korrekt und ihre Antworten stehen nicht im Widerspruch.Sie sprechen nur über sehr unterschiedliche Regime.Ein klassisches elektromagnetisches Feld erzeugt eine metrische Krümmung, während ein einzelnes isoliertes Photon keine echten Gravitonen erzeugt.Hier bezieht sich safesphere auf dieses Papier und überträgt es auf die linearisierte Schwerkraft, die ein perfekt definierter Ansatz für die Quantengravitation bei niedrigen Energien ist.

Betrachten Sie für ein bekannteres Beispiel ein isoliertes Atom in seinem Grundzustand.Dieses System kann keine echten Photonen beschaffen, da es sich bereits im Grundzustand befindet.Bei großen Entfernungen kann man jedoch ein elektrisches Feld messen, d. H. Es gibt ein Dipolmoment.Das gleiche passiert gerade hier.

Der einzige Widerspruch zwischen den Aussagen ist ein rein semantischer Punkt dessen, was es bedeutet, dass "Photonen die Raumzeit biegen", eine Phrase, die sowieso nie perfekt definiert wurde.Natürlich können elektromagnetische Felder an die Schwerkraft koppeln, wie wir aus experimentellen Tests wissen.

Einer von ihnen sagt, dass Photonen die Raumzeit biegen, da sie Spannungsenergie haben, aber es ist schwierig, sie zu messen, da die Energie, die sie tragen, im Vergleich zur Stressenergie des astronomischen Körpers gering ist. Sie biegen also die Raumzeit, es ist nur so, dass es schwierig ist, sie mit unseren derzeit verfügbaren Geräten zu messen.

Nun sagt der andere, dass Photonen die Raumzeit überhaupt nicht biegen. Es ist nur die emittierende Ladung (Fermion), die die Raumzeit biegt.

Welches ist richtig? Biegen Photonen selbst die Raumzeit, weil sie Spannungsenergie haben oder nicht?

Ja, Photonen biegen die Raumzeit. Dieselbe Frage wurde im Research Gate's Forum ausführlich diskutiert. Dies ist ein Ort, um sie fortzusetzen und Links zu fehlgeschlagenen Theorien anzuzeigen.

Der Massenbeitrag des -Photons zu einem System wird verstanden, aber nicht vereinbart. Da Photonen zum Spannungs-Energie-Tensor beitragen, üben sie gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie eine Anziehungskraft auf andere Objekte aus. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich um eine Masse-Energie-Äquivalenz.

"Die Partikeldatengruppe (PDG) nennt die Obergrenze m $ _ \ gamma $ span> < 8,4 × 10 $ ^ {- 19} $ span> eV c $ ^ {- 2} $ span> (= 1,5 × 10 $ ^ {−54} $ span> kg), erhalten durch Modellierung des Magnetfelds des Sonnensystems. Diese Grenze beruht jedoch auf Annahmen über die Form des Magnetfelds und diskutiert keine Messgenauigkeit und Fehler. Eine weitere Grenze (m $ \ gamma $ span> < 4 × 10 $ ^ {- 52} $ span> kg) wurde abgeleitet von atmosphärischen Radiowellen wurde berichtet (in https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.043901). Bei der Analyse der Clusterdaten wurde ein konservativerer Ansatz verfolgt, der zu einer Obergrenze zwischen 7,9 × 10 $ ^ {- 14} $ span> und 1,9 × 10 $ ^ {- 15} $ span> eV c $ ^ {- 2} $ span> (1,4 × 10 $ ^ {- 49} $ span> und 3,4 × 10 $ ^ {- 51} $ span> kg). Es ist eindeutig wünschenswert, direktere und robustere astrophysikalische Einschränkungen für eine mögliche Photonenmasse zu untersuchen. Dies war die Motivation für eine Studie, die wir durchgeführt haben ( hier) (siehe auch) und die zeigte, wie Daten von schnellen Funkbursts (FRBs) verwendet werden können, um m $ _ \ gamma $ span>. ".

In " Review of Particle Physics" (17. August 2018) von M. Tanabashi et al. (Partikeldatengruppe) Phys. Rev. D 98, 030001 kündigten sie die Verfügbarkeit von Tabellen physikalischer Konstanten an, insbesondere: Derzeit listet die PDG die Masse eines Photons wie folgt auf:

"< 1 × 10 $ ^ {- 18} $ span> aus Ryutov 2007 von MHD of Solar Wind"

Es gibt also eine gewisse Masse in einer pp-Wellen-Raumzeit.

Eine etwas einfache Lektüre ist: " Gravitationseigenschaften von Licht - das Gravitationsfeld eines Laserpulses" (29. Januar 2016), von Dennis Rätzel, Martin Wilkens und Ralf Menzel:

"... Es wird gezeigt, dass das Gravitationsfeld eines linear polarisierten Lichtimpulses als Norm der entsprechenden elektrischen Feldstärke moduliert wird, während für die Zirkularpolarisation keine Modulationen auftreten. Im Allgemeinen ist das Gravitationsfeld unabhängig von der Polarisationsrichtung. Es wird gezeigt, dass alle physikalischen Effekte auf Kugelschalen beschränkt sind, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnen, und dass diese Schalen Abdrücke der Raumzeitereignisse sind, die die Emission und Absorption des Impulses darstellen. ... ".

Ich habe nach Kritik an der Theorie und Bestätigung der Autoren gesucht.

Sie bieten ein Video mit einer einfachen Erklärung und ein paar leicht verständlichen Grafiken:

"Abbildung 6. Diese Diagramme zeigen den doppelten Logarithmus der metrischen Störung $ {h} ^ {{\ rm {p}}} = {h} _ {00} ^ {{\ rm {p}}} = {h} _ {{zz}} ^ {{\ rm {p}}} = - {h} _ {0z} ^ {{\ rm {p}}} = - {h} _ {z0} ^ {{\ rm {p}}} $ span> für einen linear polarisierten Impuls der Länge L und der zentralen Wellenlänge $ \ lambda = \ frac { 2 \ pi c} {\ omega} = \ frac {2} {3} L $ span> in der xy-Ebene bei $ t = 50000L / c $ span >, nach seiner Emission bei z = 0. $ {h} ^ {{\ rm {p}}} $ span> wird auf Einheiten von $ \ kappa = 4 {{GAu}} _ {0} / {c} ^ {4} $ span> und dann wird der Logarithmus des Logarithmus genommen. Die metrische Störung kann als das Potential interpretiert werden Die Front, die sich aus dem Emissionsereignis des Impulses ergibt, ist zwischen $ z = 6L + 499994L $ span> und zu sehen $ z = 7L + 499994L $ span>. Es zeigt Schwingungen mit der Wellenlänge $ \ lamb da / 2 $ span> und nähert sich der Form einer ebenen Frontwelle. Das rechte Diagramm zeigt die gleiche Situation für zirkular polarisiertes Licht, bei dem keine Modulationen auftreten. "

Die Diagramme zeigen die metrische Störung $ {h} ^ {{\ rm {p}}} = {h} _ {00} ^ {{\ rm {p}} } = {h} _ {{zz}} ^ {{\ rm {p}}} = - {h} _ {0z} ^ {{\ rm {p}}} - {h} _ {z0} ^ {{\ rm {p}}} $ span> für einen Impuls der Länge L in den Koordinaten $ ({ct}, x, y, z) $ span> in der (x, y) -Ebene für verschiedene Zeiten t. $ {h} ^ {{\ rm {p}}} $ span> ist. normalisiert auf Einheiten von κ und dann wird der Logarithmus des Logarithmus genommen.

In einem späteren Artikel: " Gravitationseigenschaften von Licht - Die Emission von sich gegenläufig ausbreitenden Laserpulsen aus einem Atom" (14. Oktober 2016) von Dennis Rätzel, Martin Wilkens und Ralf Menzel bestätigen sie ihre Ergebnisse:

"... die Situation von zwei sich gegenläufig ausbreitenden Laserpulsen, die von einem massiven Punktteilchen emittiert werden, wurde berücksichtigt. Die entsprechende metrische Störung im Rahmen der linearisierten Schwerkraft und die entsprechende Krümmung wurden abgeleitet. Es wurde gezeigt, dass die Krümmung diese ist eines massiven Punktteilchens an allen Raumzeitpunkten, die in der kausalen Zukunft des Endes des Emissionsprozesses und in der kausalen Vergangenheit des Beginns des Emissionsprozesses liegen. Es wurde der Schluss gezogen, dass die Laserpulse nur während ihrer Emission und zur Krümmung beitragen Dies stimmt mit den Ergebnissen überein, die in [unserem vorherigen Artikel] vorgestellt wurden, in dem nur ein Impuls berücksichtigt und der Gravitationseffekt des Emitters vernachlässigt wurde. Im Gegensatz zu dem im vorherigen Artikel vorgestellten Modell in dem in In diesem Artikel wird der Emitter selbst berücksichtigt und die Kontinuitätsgleichung der allgemeinen Relativitätstheorie erfüllt. "

Hier ist ein indirekter Beweis dafür, dass "Photonen" die Raumzeit biegen. Betrachten Sie die Peres-Metrik (ich verwende $ c \ equiv 1 $ span> und die $ ( 1, -1, -1, -1) $ span> Konvention): \ begin {Gleichung} \ tag {1} ds ^ 2 = dt ^ 2 - dx ^ 2 - dy ^ 2 - dz ^ 2 + F (x, y, t - z) (dt - dz) ^ 2, \ end {Gleichung} span> Dabei ist $ F (x, y, u) $ span> eine beliebige Funktion von drei unabhängigen Variablen ( $ u = t - z $ span>). Setzen Sie diese Metrik in Einsteins Gleichung ein. Erstens: ohne Spannungstensor (und ohne kosmologische Konstante): \ begin {Gleichung} \ tag {2} G _ {\ mu \ nu} = 0. \ end {Gleichung} span> Nach einiger Algebra erhalten Sie dann eine Einschränkung für $ F (x, y, u) $ span>: \ begin {Gleichung} \ tag {3} \ frac {\ partiell ^ 2 F} {\ partiell x ^ 2} + \ frac {\ partiell ^ 2 F} {\ partiell y ^ 2} = 0. \ end {Gleichung} span> Daher muss $ F $ span> eine harmonische Funktion in $ x $ span> und sein $ y $ span>. Die einfachste nicht triviale Lösung (mit Raumzeitkrümmung) ist eine lineare Überlagerung quadratischer Funktionen (es gibt zwei unabhängige Polarisationszustände für die Gravitationswelle): \ begin {Gleichung} F (x, y, u) = \ mathcal {A} (u) (\, x ^ 2 - y ^ 2) + \ mathcal {B} (u) \, x \, y, \ end {Gleichung} span> Dabei sind $ \ mathcal {A} (u) $ span> und $ \ mathcal {B} (u) $ span> sind Nebenfunktionen von $ u = t - z $ span>. Die Metrik (1) beschreibt dann eine planare Gravitationswelle , die sich im Vakuum ausbreitet.

Fügen Sie dann eine planare monochromatische elektromagnetische Welle mit Energieimpuls hinzu \ begin {Gleichung} \ tag {4} T _ {\ mu \ nu} = \ Phi (x, y, u) \, k _ {\ mu} \, k _ {\ nu}, \ end {Gleichung} span> Dabei ist $ k ^ {\ mu} = (\ omega, 0, 0, \ omega) $ span> die Wellenzahl und $ \ Phi (x, y, u) $ span> ist beliebig. Einsteins Gleichung wird dann \ begin {Gleichung} \ tag {5} G _ {\ mu \ nu} = - \, \ kappa \, T _ {\ mu \ nu}. \ end {Gleichung} span> Natürlich $ \ kappa \ equiv 8 \ pi G $ span>. Viel Algebra gibt die folgende Einschränkung: \ begin {Gleichung} \ tag {6} \ frac {\ partiell ^ 2 F} {\ partiell x ^ 2} + \ frac {\ partiell ^ 2 F} {\ partiell y ^ 2} = 2 \ kappa \ omega ^ 2 \, \ Phi. \ end {Gleichung} span> Ich betrachte eine planare monochromatische elektromagnetische Welle, die sich in der Raumzeit mit einer zirkularen Polarisation ausbreitet (dies ist ein klassisches Feld, das einem "Quantenphoton" mit einer Winkelfrequenz $ \ omega am nächsten kommt $ span>): \ begin {Gleichung} \ tag {7} A ^ {\ mu} (x, y, u) = \ varepsilon_1 ^ {\ mu} \, \ mathcal {F} (u) + \ varepsilon_2 ^ {\ mu} \, \ mathcal {G} (u), \ end {Gleichung} span> Dabei sind $ \ varepsilon_ {1, \, 2} ^ {\ mu} $ span> die vier Vektoren der raumartigen Polarisation, orthogonal zu $ k ^ {\ mu} $ span> und \ begin {align} \ tag {8} \ mathcal {F} (u) & = a_0 \ cos {(\ omega \, u)}, & \ mathcal {G} (u) & = a_0 \ sin {(\ omega \, u)}. \ end {align} span> Die Amplitude $ a_0 $ span> ist nur eine Konstante. Es ist leicht zu überprüfen, ob (7) und (8) (4) mit $ \ Phi (x, y, u) = \ text {cste} \ propto a_0 ^ 2 $ ergeben span>. Dann kann (6) gelöst werden, um eine einfache, nicht triviale Lösung zu erhalten (der Riemann-Krümmungstensor ist nicht 0): \ begin {Gleichung} \ tag {9} F (x, y, u) = \ frac {\ kappa \, a_0 ^ 2 \, \ omega ^ 2} {8 \ pi \ alpha} \, (\, x ^ 2 + y ^ 2). \ end {Gleichung} span> ( $ 4 \ pi \ alpha $ span> ist die elektromagnetische Kopplungskonstante, die im Energie-Impuls-Tensor auftritt. Sie hängt von Ihren bevorzugten Einheiten für die Feldamplitude ab $ a_0 $ span>. Ich verwende die Feinstrukturkonstante $ \ alpha \ approx \ frac {1} {137} $ span>).Die Metrik (1) mit der Funktion (9) beschreibt dann eine zirkular polarisierte EM-Welle (und die zugehörige Gravitationswelle), die sich in der Raumzeit ausbreitet.Die Riemann-Krümmung ist nicht 0 (ihre Komponenten sind in diesem Fall Konstanten, da der Wellenenergieimpuls homogen ist).

Das nicht lokalisierbare "Photon" krümmt die Raumzeit auf nicht triviale Weise.Aufgrund der zirkularen Polarisation ist die Krümmung homogen (aber nicht isotrop, da die Wellenausbreitung eine privilegierte Orientierung definiert)

Die Sonne verliert jedes Jahr etwas Masse (in Form von Photonen) und wird dadurch die Erdumlaufbahn jedes Jahr um 1,5 Zentimeter größer.

Dies bedeutet, dass die Raumkrümmung durch die Sonne jedes Jahr abnimmt.

Wohin geht diese Krümmung?Ist es nicht mit den Photonen weg?

Photonen müssen die Raumzeit krümmen, oder sie selbst müssen das sein - winzige Kurven in der Raumzeit, abhängig davon, wie viel Energie sie haben.In beiden Fällen ist es offensichtlich, dass sie die Raumzeit krümmen.Es spielt keine Rolle, welche (klassische oder Quanten-) Theorie Sie anwenden und was sie anzeigt / vorhersagt, die Beweise sind da draußen.

Daher muss die Theorie / Vorhersage / Argumentation, die die Krümmung des Raums durch Photonen leugnet, falsch sein.

Aufgrund der winzigen Größe und der enormen Geschwindigkeit muss es sehr schwierig sein, dies experimentell zu beweisen.