光如何影响宇宙?


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例如,当一颗恒星发出光时,该恒星会失去能量-从而使其重力降低。然后,这种能量开始了可能数十亿年的旅程,直到到达其他物体为止。

当该光到达诸如另一颗恒星或星系之类的表面时,它将以热的形式将该能量提供给目标恒星。这导致接收器增加其能量,从而恢复某种平衡。它还使接收器再次发出微量的光,几乎像反射一样。

一旦到达接收表面,它也会在接收表面上施加压力,无论它是星星,岩石还是其他物体。

但是,当光在太空中传播时,宇宙的其余部分“无法获得”它的能量。我自然会问以下问题:

在行进时,光线会引起重力吗?

每一颗恒星都会向各个方向发光,并最终到达宇宙中的每一颗恒星。在宇宙中的任何单个点上,都必须有连续的光线从宇宙中的每个其他恒星发出,并具有指向该点的直接路径。假设天空中的所有恒星都发出到达地球表面每平方厘米的光子,那么压力的总和应该很大。

假设任何表面上的每个原子都接收到来自天空中每个光源的光,压力的大小真的可以忽略吗?

根据http://solar-center.stanford.edu/FAQ/Qshrink.html上的计算,太阳在其一生中将以其总质量的0.034%释放出能量。假设太阳是平均的,并且宇宙中大约有10 ^ 24个恒星,并且所有这些恒星平均都处于生命的一半,那么应该有大约1.7 * 10 ^ 22个太阳重力分布的能量整个宇宙。

Answers:


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旧问题,但我将解决以前的答案未曾提及的问题。

光子 CMB光子(至一阶)

正如其他人已经说过的:是的,光有能量,因此有引力。该渗透宇宙光子的大部分是不是恒星来源的,虽然,但实际上是在宇宙微波背景,其中有几个数量级比其他光子大几个数量级的能量密度,如从图可见该答案为“ CMB光子的数量密度”。就数量密度而言,每厘米有4-500个光子。3

空间大且各向同性

由于CMB光子是各向同性的分布,因此很小的辐射压力在所有方向上都是相等的,因此抵消了。尽管我们一直都受到CMB光子和恒星光子的轰击,但是空间是如此之大(D. Adams,1978年),以至于如果您考虑宇宙中的随机光子,那么它撞击任何东西的可能性就很大可以忽略不计。大约90%的CMB光子已经旅行了138亿年,没有受到任何撞击。其余的10%与电离后释放的自由电子相互作用,但未被吸收,仅被极化,到目前为止,大多数相互作用是在电离后不久发生的。到现在为止,宇宙已经扩展了太多。

光子被红移

虽然在光子能量,因此它们添加到引力,首先他们均匀地分布在宇宙的(并因此在所有方向上同等地拉动),和第二比较重子他们的能量密度是可忽略的(“正常物质”例如气体,恒星和行星),暗物质和暗能量。实际上,它们的相对密度是。但这并非总是如此。随着宇宙的膨胀和新空间的创建,物质的密度降低为,其中1 / 一个3一个一个1 / 一个4{ρbar,ρDM,ρDE,ρphot}/ρtotal={0.05,0.27,0.68,104}1/a3a是宇宙的比例因子(“大小”)。对于光子来说也是如此,但是由于它们另外按比例红移到,因此它们的能量密度降低为。这意味着随着时间的流逝,光子对能量预算的相对贡献增加,实际上,直到宇宙诞生了47,000年之久,宇宙的动力学才被辐射所支配。a1/a4


您回答中最大的问题是光子发生了红移-我没有考虑过。只是好奇:关于光子的各向同性分布,您如何确定呢?
frodeborli

@frodeborli:如果您查看CMB的地图,例如这张地图,您会发现它与〜1e5的某一部分是各向同性的。请注意,在这样的地图上,两个重要各向同性已被删除:1)因为我们在银河系中,所以银河系磁盘中的信号源产生了额外的信号; 2)因为我们正在某些地方穿越空间500 km / s(在共同移动的坐标系中),CMB在我们移动的方向上发生了轻微的蓝移,因此更加活跃。
佩拉

是的,所以它在我们的空间区域内是各向同性的。但是我不认为光子在整个空间的分布是各向同性的。那你看着很遥远的恒星,从我们的角度来看,在宇宙只有47000年岁。
frodeborli

而且我们在@frodeborli的各个方向上看到了那些遥远的老星。如果您有一些复杂的理论来解释它,这对您有好处,但是Occam的剃须刀使科学家们偏向于使用更简单的各向同性分布理论。
kubanczyk

@kubanczyk“使事情尽可能简单,但不要简单。” 无论如何;您不可能毫无疑问地得出光子在整个空间中均匀分布的结论,这完全基于我们在这个小行星上接收到的光子有些均匀的事实。我们这里永远不会收到许多光子,您也不知道它们要去哪里或有多少个。可能/可能有数万亿个超级能量的GRB在太空中射击,这是我们永远不会看到的。仅仅看到它们会导致无菌的土壤。
frodeborli

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是的,光会吸引人。重力电荷是能量。好吧,重力是自旋2力,因此您确实也具有动量和应力,但是它们类似于电流的一般化。

通常,任何有助于应力能张量的东西都会产生某种引力作用,而光则具有这种引力作用,既具有能量密度,又沿传播方向施加压力。

但是,当光在太空中传播时,宇宙的其余部分“无法获得”它的能量。

不完全的。它仍然吸引。但是,辐射主导的时代是在大爆炸之后约5万年前,但它已经是很久了。今天,辐射的引力效应在宇宙学上可以忽略不计。我们生活在物质主导时代和黑暗能源主导时代之间。

假设天空中的所有恒星都发出到达地球表面每平方厘米的光子,那么压力的总和应该很大。

任何表面上的光压力与入射在其上的光能密度成正比。因此,我们可以通过观察夜晚的天空是黑暗的来直接检查这条推理路线。

为什么晚上漆黑的原因可能值得思考(也请参考奥尔伯斯的悖论),但是很显然它实际上很小。公平地讲,我们应该检查的范围不只可见范围,但是即使天空很暗。因此,平均而言,光压力很小。

我们有幸接近一颗恒星,但是即使在白天,由于太阳引起的光照压力也处于微帕斯卡的数量级。

...应有相当于整个宇宙分布的约1.7 * 10 ^ 22个太阳重力的能量。

这是一个很小的数目。就像您刚才说的那样,这大约相当于宇宙中恒星总质量的0.034%,而恒星又仅占宇宙中物质的一小部分。那么,为什么对它的影响可以忽略不计感到惊讶呢?实际上,它比宇宙中物质量的测量不确定性少数千倍。


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爱因斯坦著名的质量能当量,光在行进时会引起重力,这是显而易见。(将此讨论与StackExchange进行比较。)

光的引力对其他质量而言可以忽略不计。在恒星的一生中,只有一小部分质量会转化为光,并且只有一小部分普通物质曾经是恒星。普通(标准模型粒子)物质的一部分由中微子组成(中微子和电子是轻子)。重爆炸物质主要由氢和大爆炸后不久形成的一些氦(核)组成。

恒星的一小部分质量由光子组成,它们从恒星中飞出。这次旅行可能需要数百万年

光照对小行星的影响不可忽略,但不是引力。主要是YORP效果。灰尘也会受光的影响。


因此,即使宇宙的数千亿个星系发出的大部分光仍在传播中,其影响可以忽略吗?在宇宙中的每个坐标中,光子正与每个直向其发光的恒星相交。“行进中”的光量也一直在增加,这意味着所有其他质量的总能量一直在减少,直到该质量成为黑洞的一部分为止。科学家如何确保它可以忽略不计?
frodeborli 2014年

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取平均背景温度af约为3 K;那是平均温度,因此是整体电磁辐射平衡。考虑黑色散热器的平均空间(en.wikipedia.org/wiki/Planck%27s_law)。看看Stefan-Boltzmann定律(en.wikipedia.org/wiki/Stefan%E2%80%93Boltzmann_law):总辐射能量与温度的四次方成正比。现在,计算与该辐射能量相对应的每体积质量,并将其与局部宇宙的平均密度进行比较。
杰拉尔德2014年

(对“大约3K”,“作为黑色辐射器”上面的两个错别字表示抱歉)质量下降并不一定意味着收敛于零,除非您提出建议,否则每个粒子最终都会衰减成光子。该假设至少没有实验证据。并非所有质量都需要以加速扩展的方式结束在黑洞中。它只是冷却下来。
杰拉尔德

@杰拉尔德:值得记住的是,在辐射主导的宇宙时代,从光引力非常重要。
Alexey Bobrick 2014年

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我的意思很简单,因为质量具有能量(并且有很多),所以质量具有引力作用,这显示在应力-能量张量的分量中。与其解释重力,不如将重力解释为质量的影响,这反而是正确的,而应该以类似于电荷的方式认识到重力电荷是能量。T00
Stan Liou 2014年
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