Wie wirkt sich Licht auf das Universum aus?

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Wenn beispielsweise ein Stern Licht emittiert, verliert dieser Stern Energie - wodurch er seine Schwerkraft verringert. Dann beginnt diese Energie eine Reise für möglicherweise Milliarden von Jahren, bis sie ein anderes Objekt erreicht.

Wenn dieses Licht eine Oberfläche wie einen anderen Stern oder eine andere Galaxie erreicht, gibt es dem Zielstern diese Energie in Form von Wärme. Dies führt dazu, dass der Empfänger seine Energie erhöht und so eine Art Gleichgewicht wiederherstellt. Es bewirkt auch, dass der Empfänger wieder eine winzige Menge mehr Licht aussendet, fast wie eine Reflexion.

Es übt auch Druck auf die Empfangsfläche aus, sobald es sein Ziel erreicht, sei es ein Stern, ein Stein oder irgendetwas anderes.

Aber während dieses Licht durch den Raum wandert, ist seine Energie für den Rest des Universums "nicht verfügbar". Natürlich stelle ich folgende Frage:

Verursacht Licht auf Reisen Schwerkraft?

Jeder einzelne Stern sendet Licht in alle Richtungen aus und erreicht schließlich jeden anderen Stern im Universum. An jedem einzelnen Punkt im Universum muss ein kontinuierlicher Lichtstrahl von jedem anderen Stern im Universum kommen, der einen direkten Weg zu diesem Punkt hat. Angesichts der Tatsache, dass alle Sterne am Himmel Photonen senden, die jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche erreichen, sollte der Druck ziemlich groß sein.

Ist der Druck wirklich vernachlässigbar, da jedes einzelne Atom auf einer Oberfläche Licht von jeder einzelnen Lichtquelle am Himmel empfängt?

Basierend auf einer Berechnung unter http://solar-center.stanford.edu/FAQ/Qshrink.html wird die Sonne während ihrer Lebensdauer 0,034% ihrer Gesamtmasse als Energie abgeben. Angenommen, die Sonne ist durchschnittlich und es gibt ungefähr 10 ^ 24 Sterne im Universum, und alle diese Sterne sind im Durchschnitt in der Mitte ihrer Lebensdauer, sollte Energie in Höhe der Schwerkraft von ungefähr 1,7 * 10 ^ 22 Sonnen verteilt sein im ganzen Universum.

gravity universe light frodeborli
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Antworten:

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Alte Frage, aber ich werde etwas ansprechen, das in den vorherigen Antworten nicht erwähnt wurde.

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Der Raum ist groß und isotrop

Da CMB-Photonen isotrop verteilt sind, ist der noch so kleine Strahlungsdruck in alle Richtungen gleich und hebt sich daher auf. Und obwohl wir ständig sowohl von CMB-Photonen als auch von Sternphotonen bombardiert werden, ist der Raum so umwerfend groß ( D. Adams, 1978 ), dass, wenn man ein zufälliges Photon im Universum betrachtet, die Wahrscheinlichkeit, dass es überhaupt etwas trifft Ist vernachlässigbar. Ungefähr 90% der CMB-Photonen sind 13,8 Milliarden Jahre lang gereist, ohne etwas zu treffen. Die verbleibenden 10% wechselwirketen mit den freien Elektronen, die nach der Reionisierung freigesetzt wurden, aber nicht absorbiert, sondern nur polarisiert wurden, und bei weitem die meisten dieser Wechselwirkungen fanden kurz nach der Reionisierung statt. Inzwischen hat sich das Universum einfach zu sehr erweitert.

Photonen sind rotverschoben

{ρbar,ρDM,ρDE,ρphot}/ρtotal={0.05,0.27,0.68,10−4}1/a3aa1/a4

Pela
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Das größte Problem in Ihrer Antwort war, dass Photonen rotverschoben sind - was ich nicht berücksichtigt habe. Nur neugierig: Wie können Sie sich hinsichtlich der isotropen Verteilung von Photonen sicher sein?
Frodeborli
@frodeborli: Wenn Sie sich eine Karte der CMB wie diese ansehen, werden Sie sehen, dass sie zu einem Teil in ~ 1e5 isotrop ist. Beachten Sie, dass auf einer Karte wie diese, zwei wichtige ein isotropies entfernt worden sind: 1) Weil wir in der Milchstraße sind, gibt es ein zusätzliches Signal aus Quellen in der galaktischen Scheibe und 2) , weil wir einige durch den Raum in Bewegung sind 500 km / s (in kommenden Koordinaten) ist der CMB in der Richtung, in die wir uns bewegen, leicht blauverschoben - und damit energischer - und entsprechend rotverschoben in die entgegengesetzte Richtung.
Pela
Ja, es erscheint also in unserer Raumregion isotrop. Ich betrachte diesen Beweis jedoch nicht als isotrop in ihrer Verteilung im gesamten Raum. Dieser sehr entfernte Stern, den Sie betrachten, befindet sich aus unserer Sicht in einem Universum, das nur 47000 Jahre alt ist.
Frodeborli
Und wir sehen diese fernen alten Sterne in alle Richtungen @frodeborli. Wenn Sie eine komplizierte Theorie haben, um sie zu erklären, ist das gut für Sie, aber das Rasiermesser des Occam bewirkt, dass Wissenschaftler die einfachere Theorie der isotropen Verteilung bevorzugen.
Kubanczyk
@kubanczyk "Machen Sie die Dinge so einfach wie möglich, aber nicht einfacher." Unabhängig davon; Sie können unmöglich zweifelsfrei schließen, dass Photonen gleichmäßig im Raum verteilt sind, allein aufgrund der Tatsache, dass wir sie auf diesem winzigen Planeten etwas gleichmäßig verteilt empfangen. Es gibt viele Photonen, die wir hier niemals erhalten werden, und Sie wissen nicht, wohin sie gehen oder wie viele sie sind. Es könnten / wahrscheinlich Billionen von superenergetischen GRBs durch den Weltraum schießen, die wir niemals sehen werden; nur sie zu sehen würde eine sterile Erde verursachen.
Frodeborli
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Ja, Licht schwebt. Die Gravitationsladung ist Energie. Nun, die Schwerkraft ist eine Spin-2-Kraft, also haben Sie auch wirklich Impuls und Stress, aber sie sind analog zu einer Verallgemeinerung des elektrischen Stroms.

Im Allgemeinen hat alles, was zum Spannungsenergietensor beiträgt, einen gewissen Gravitationseffekt, und Licht tut dies, indem es sowohl eine Energiedichte als auch einen Druck in Ausbreitungsrichtung ausübt.

Aber während dieses Licht durch den Raum wandert, ist seine Energie für den Rest des Universums "nicht verfügbar".

Nicht ganz. Es zieht immer noch an. Die strahlungsdominierte Ära war jedoch vor etwa 50.000 Jahren nach dem Urknall, aber sie ist längst vorbei. Der Gravitationseffekt von Strahlung ist heute kosmologisch vernachlässigbar. Wir leben in einem Übergang zwischen von Materie dominierten und von Dunkler Energie dominierten Epochen.

Angesichts der Tatsache, dass alle Sterne am Himmel Photonen senden, die jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche erreichen, sollte der Druck ziemlich groß sein.

Der Lichtdruck auf jeder Oberfläche ist proportional zur auf sie einfallenden Lichtenergiedichte. Somit können wir diese Argumentation direkt überprüfen, indem wir beobachten, dass der Himmel nachts dunkel ist.

Warum es nachts dunkel ist, verdient wahrscheinlich eine eigene Frage (vgl. Auch Olbers 'Paradoxon ), aber es ist ziemlich klar, dass es tatsächlich ziemlich klein ist. Um fair zu sein, sollten wir mehr als den sichtbaren Bereich überprüfen, aber trotzdem ist der Himmel ziemlich dunkel. Daher ist der Lichtdruck im Durchschnitt sehr gering.

Wir haben das Privileg, einem Stern nahe zu sein, aber selbst tagsüber liegt der Lichtdruck durch die Sonne in der Größenordnung von Mikropascal.

... sollte es Energie geben, die der Schwerkraft von ungefähr 1,7 * 10 ^ 22 Sonnen entspricht, die im ganzen Universum verteilt sind.

Und das ist eine winzige Menge. Wie Sie gerade sagten, entspricht dies etwa 0,034% der Gesamtmasse der Sterne im Universum, was wiederum nur einen Bruchteil der Materie im Universum ausmacht. Warum wundern Sie sich also, dass seine Wirkung vernachlässigbar ist? Es ist buchstäblich tausendmal weniger als die Unsicherheit bei der Messung der Materiemenge im Universum.

Stan Liou
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Licht verursacht auf Reisen Schwerkraft, ein klares Ja, durch Einsteins berühmte Masse-Energie-Äquivalenz . (Vergleichen Sie diese Diskussion auf StackExchange .)

Die Anziehungskraft des Lichts ist für andere Massen in großem Maßstab vernachlässigbar. Nur ein kleiner Teil der Masse eines Sterns wird während seines Lebens in Licht umgewandelt, und nur ein kleiner Teil der gewöhnlichen Materie war jemals ein Stern. Ein Teil der gewöhnlichen Materie (Standardmodellpartikel) besteht aus Neutrinos (Neutrinos und Elektronen sind Leptonen). Die baryonische Materie besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und etwas Helium (Kernen), die kurz nach dem Urknall gebildet werden.

Ein kleiner Teil der Masse eines Sterns besteht aus Photonen, die aus dem Stern austreten. Diese Reise kann Millionen von Jahren dauern .

Die Wirkung von Licht auf Asteroiden ist nicht vernachlässigbar, aber es ist nicht die Anziehungskraft. Es ist hauptsächlich der YORP- Effekt. Staub wird auch durch Licht beeinflusst.

Gerald
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Also, obwohl der größte Teil des Lichts, das jemals von den Hunderten von Milliarden Galaxien des Universums emittiert wurde, noch unterwegs ist, ist der Effekt vernachlässigbar? In jeder einzelnen Koordinate im Universum kreuzt sich ein Photon für jeden einzelnen lichtemittierenden Stern mit einem direkten Weg dorthin. Die Lichtmenge "auf Reisen" nimmt ebenfalls ständig zu, was bedeutet, dass die kombinierte Energie aller anderen Massen immer weiter abnimmt, bis die Masse Teil eines Schwarzen Lochs wird. Wie können Wissenschaftler sicher sein, dass es vernachlässigbar ist?
Frodeborli
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Nehmen Sie die durchschnittliche Hintergrundtemperatur von ca. 3 K; Das ist die mittlere Temperatur und damit das gesamte Gleichgewicht der elektromagnetischen Strahlung. Betrachten Sie den durchschnittlichen Platz an einem schwarzen Heizkörper ( en.wikipedia.org/wiki/Planck%27s_law ). Schauen Sie sich das Stefan-Boltzmann-Gesetz an ( en.wikipedia.org/wiki/Stefan%E2%80%93Boltzmann_law ): Die Energie der Gesamtstrahlung ist proportional zur 4. Potenz der Temperatur. Berechnen Sie nun die Masse pro Volumen, die dieser Strahlungsenergie entspricht, und vergleichen Sie sie mit der mittleren Dichte des lokalen Universums.
Gerald
(Entschuldigung für die beiden obigen Tippfehler "von ungefähr 3K", "als schwarzer Strahler") Eine Verringerung der Masse bedeutet nicht unbedingt, dass sie gegen Null konvergiert, es sei denn, Sie schlagen vor, dass jedes Teilchen schließlich in Photonen zerfällt. Es gibt zumindest keine experimentellen Beweise für diese Annahme. Nicht jede Masse muss in einem Schwarzen Loch in einem Universum mit beschleunigter Expansion enden. Es kühlt einfach ab.
Gerald
@Gerald: Es ist jedoch nützlich, sich daran zu erinnern, dass in den Tagen des strahlungsdominierten Universums die Schwerkraft des Lichts sehr wichtig war.
Alexey Bobrick
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