Strona głównaPytania → Jak zakrzywienie czasoprzestrzeni wpływa na...

Jak zakrzywienie czasoprzestrzeni wpływa na propagację światła?

Pytanie

Pyta Marek

Pytanie dotyczy wizualizacji jaka się często przedstawia przy omawianiu czasoprzestrzeni. Pokazana jest płaszczyzna (elastyczna) i położona jest na niej jakaś kula imitująca masę, która zakrzywia czasoprzestrzeń. Następnie jest pokazany ruch np. kuli, który pod wpływem tej zakrzywionej powierzchni jest odchylony od prostej. Zatem, jeżeli foton leci prosto i napotyka coś co go odchyla od pierwotnego kierunku, to jak możemy stwierdzić skąd on przybył? Przecież jeżeli leci z bardzo daleka to może po drodze napotkać wiele takich „przeszkód” i jeżeli ich nie możemy dostrzec, to nie możemy chyba stwierdzić pierwotnego źródła. I takie odchylenia chyba odkształcają dość mocno rzeczywisty/prawdziwy obraz i kształt Wszechświata w porównaniu do tego co widzimy?

Odpowiedź

Odpowiada Andrzej Okołów

Zazwyczaj rzeczywiście nie możemy stwierdzić, skąd przybył pojedynczy foton. Ale też obserwacje odchylenia toru fotonu w polu grawitacyjnym nie polegają na obserwacji pojedynczego fotonu lecz na dwóch obserwacjach wiązki światła pochodzącej z ustalonego i dobrze określonego źródła, np. gwiazdy, obserwacjach dokonywanych w pewnym odstępie czasu. Jeżeli fotony wyemitowane przez gwiazdę i docierające do nas są przez pewien czas odchylane przez pole grawitacyjne jakiegoś obiektu (np. Słońca) to w tym czasie obserwowane położenie gwiazdy na sferze niebieskiej będzie przesunięte w stosunku do położenia, jakie gwiazda zajmuje w sytuacji, gdy ów obiekt nie wpływa na ruch fotonów. Tak więc o odchyleniu toru fotonów w polu grawitacyjnym wnioskujemy na podstawie czasowej zmiany położenia gwiazdy, o ile oczywiście mamy podstawy do twierdzenia, że na drodze pomiędzy nami a gwiazdą znajdował się w tym czasie masywny obiekt.

Takie podstawy mamy w przypadku gwiazd obserwowanych w trakcie całkowitego zaćmienia Słońca tuż przy jego krawędzi — skoro widzimy gwiazdę w tym położeniu, to fotony docierające do nas z tej gwiazdy musiały przelecieć bardzo blisko Słońca. Oczywiście, taka sytuacja jest krótkotrwała, a po upływie kilku miesięcy ta sama gwiazda może być już widoczna na nocnym niebie co oznacza, że w tym momencie wyemitowane przez nią fotony docierają do nas bez zbliżania się do Słońca. Porównanie położenia gwiazdy na sferze niebieskiej w tych dwóch momentach daje odpowiedź na pytanie, czy i w jakim stopniu tor emitowanych przez nią fotonów uległ odchyleniu w polu grawitacyjnym Słońca (w praktyce zmianę położenia gwiazdy na sferze niebieskiej określa się poprzez zmianę jej położenia w odniesieniu do innych gwiazd, które w obu momentach są widoczne daleko od krawędzi Słońca).

Warto podkreślić, że tego typu efekty istotne są także w zjawisku tzw. soczewkowania grawitacyjnego; np. dzięki odchyleniu promieni światła jesteśmy w stanie zauważyć obiekt (np. gwiazdę), który wydaje się być przysłonięty innym obiektem kosmicznym znajdującym się bliżej nas.

Co do odkształcania „rzeczywistego/prawdziwego obrazu i kształtu” Wszechświata wywołanego przez odchylenie toru fotonów w polu grawitacyjnym to można zadać sobie pytanie czy na przykład mgła odkształca „rzeczywisty obraz” otoczenia? Niby tak, bo bez mgły to otoczenie wygląda inaczej. Ale zauważmy, że elementy otoczenia takie jak drzewa, budynki etc. widzimy tylko dlatego, że światło oddziałuje z tymi elementami i dzięki temu oddziaływaniu docierając do naszych oczu dostarcza nam informacji o tych elementach. I właśnie ta informacja tworzy obraz otoczenia. A mgła jeżeli akurat się pojawiła to też jest elementem tego otoczenia, widzimy ją na tej samej zasadzie jak inne jego elementy. Zatem widok otoczenia we mgle nie jest mniej „rzeczywisty” bo ono w tym momencie właśnie takie jest. Podobnie jest z obiektami wywołującymi odchylenie toru fotonów — dzięki oddziaływaniu z nimi światło niesie nie mniej „prawdziwą” informację o tych obiektach jako o elementach czy też składnikach wszechświata i ta informacja staje się częścią nie mniej „rzeczywistego” obrazu wszechświata.