¿Se puede probar experimentalmente la cuestión de una radiación de carga acelerada gravitacionalmente?

Sé que la cuestión de la radiación de una carga acelerada gravitacionalmente se ha discutido extensamente en ¿Irradia una partícula cargada que se acelera en un campo gravitatorio? . Sin embargo, el aspecto experimental no ha sido retocado. Mi pregunta estrictamente sobre este tema puede parecer tonta, pero para un profano como yo parece una proposición evidente: ¿por qué no se puede verificar mediante una prueba o alguna observación? Si una carga que cae libremente irradia fotones, con qué fuerza y ¿en relación con qué marco de referencia irradia o no? Si no se puede probar en la práctica, ¿podría explicar por qué, si es posible? Muchas gracias.

¿Podemos detectar el movimiento de una carga en caída libre por sus emisiones electromagnéticas? Sí, por supuesto que podemos. ¿Por qué piensa de otra manera? Si quieres hacer el experimento, no hay nada que te impida dejar caer algunas bolas de metal cargadas y medir el campo eléctrico a distancia.
@CuriousOne, la pregunta es sobre la detección de radiación, no sobre la detección del movimiento de partículas cargadas. La detección de un campo eléctrico cambiante no significa detección de radiación.

Respuestas (3)

Aquí hay un malentendido.

si una carga en caída libre irradia fotones, con qué intensidad y en relación con qué marco de referencia irradia o no

si te refieres a una carga en caída libre.

En este cálculo: , de la conclusión

Se encuentra que la conclusión "ingenua" del principio de equivalencia - que una carga en caída libre no irradia , y una carga apoyada en reposo en un campo gravitacional sí irradia - es una conclusión correcta, y uno debe buscar radiación siempre que una aceleración relativa existe entre una carga eléctrica y su campo eléctrico. El campo eléctrico que cae libremente en el campo gravitatorio se acelera en relación con la carga estática. El campo es curvo, y el trabajo realizado para vencer la fuerza de tensión creada en el campo curvo es la fuente de energía transportada por la radiación. Este trabajo lo realiza el campo gravitacional sobre el campo eléctrico, y la energía transportada por la radiación se crea a expensas de la energía gravitatoria del sistema.

cursiva mía

Entonces no es una carga en caída libre la que irradia sino una carga apoyada y estacionaria. No es posible medir experimentalmente en la tierra la radiación electromagnética de una carga estacionaria

a) porque la constante gravitacional es tan pequeña que cualquier radiación tendrá una energía tan pequeña que no podrá ser detectada.

Mira la fórmula

potencia disipada

que es equivalente a la potencia radiada por una partícula cargada acelerada (fórmula de Larmor), donde la aceleración se reemplaza por g.

b) la acumulación de cargas como en los aceleradores de van der Graaff induce una serie de interacciones electromagnéticas que irradiarán, sin ignorar también la radiación del cuerpo negro, incluso en el vacío, y el acoplamiento electromagnético es de órdenes de magnitud mayor que el gravitacional, lo que inundará cualquier señal

Es solo en las observaciones cosmológicas que uno podría necesitar una contribución de tal mecanismo, como se discute en el documento:

Motz sugirió que la enorme radiación que emerge de los cuásares puede ser creada por cargas ubicadas en los fuertes campos gravitatorios cerca de la superficie de los cuásares. Aunque la explicación actual de este fenómeno es diferente, la radiación de cargas ubicadas en fuertes campos gravitatorios aún puede desempeñar un papel en ciertos fenómenos cosmológicos.

Edite con algunas citas más para aclarar:

Una carga en caída libre en un GF uniforme sigue una línea geodésica en este sistema y no está sujeta a ninguna fuerza externa. El campo eléctrico de la carga sigue geodésicas similares. La carga y su campo están ambos ubicados en el mismo marco de referencia, y en ese marco su situación relativa es similar a la que existe entre una carga estática y su campo en un espacio libre. No existe aceleración relativa entre la carga y su campo eléctrico, y concluimos que una carga en caída libre no irradia.

......

El campo eléctrico de una carga soportada en reposo en el laboratorio contra GF parece estático, pero no lo es. El campo eléctrico, que es una entidad física independiente, no se sostiene con la carga y cae libremente en el campo gravitatorio. Hay una aceleración relativa entre la carga y su campo eléctrico, el campo es curvo (tanto en el sistema de laboratorio como en el sistema de caída libre) y existe una fuerza de tensión entre la carga y su campo. El campo eléctrico (en caída libre) sigue el sistema de referencia caracterizado por las geodésicas.

Las cursivas (mías) explican la diferencia entre la masa en reposo y el campo eléctrico. La masa reacciona a la fuerza gravitatoria, el campo cae libremente.

campo electrico de carga estatica

El campo eléctrico está separado de la carga soportada y no está soportado contra la gravedad como lo está la carga. Por lo tanto, el campo eléctrico cae en caída libre y tiene una aceleración g relativa a la carga soportada. En el sistema de caída libre, que también tiene una aceleración g relativa a la carga soportada, la carga se acelera hacia arriba con una aceleración g

Continúan demostrando un vector de Poynting que no desaparece, es decir, la radiación electromagnética.

Saludando con la mano, lo veo como la parte portadora de masa / carga de la partícula que se asienta en un nivel gravitacional más bajo a medida que el campo eléctrico distorsionado irradia la energía, y como dije, es un efecto muy pequeño, quizás significativo para las dimensiones cosmológicas.

@CuriousOne si lee mi respuesta, verá que digo que no es posible en condiciones de laboratorio debido a las constantes. Se habla de radiación, no de campo, y el papel me parece legítimo. En el espacio, incluso con velocidad uniforme, el campo de una carga cambiará. La cosa es mirar las ecuaciones, y lo han hecho.
Comencemos con lo obvio: ¿el artículo ha sido revisado por pares y publicado en una revista? No hay diferencia física entre "el campo" y la "radiación". Ni la carga, ni el campo, ni el cuerpo gravitatorio, ni su equipo de prueba se preocupan de si está mirando el campo cercano o el campo lejano. El campo es el campo. ¿Puedes medir el campo cambiante de un cuerpo en caída libre? Sí. ¿De qué depende? Tu estado relativo de movimiento, sin importar cuál sea su causa.
@CuriousOne sí Gen.Rel.Grav. 36 (2004) 315-330, agregué el enlace arxiv. Si las matemáticas me dicen que un cuerpo que cae libremente NO irradia, porque las matemáticas dicen que es como uno que se mueve uniformemente (después de todo, las cosas se cancelan en las soluciones matemáticas), entonces creeré en las fórmulas y no en mi "campo" (nota no radiación) intuición
En física no importa lo que te digan las matemáticas. Puedo poner una batería con decenas de miles de Coulomb de carga en tu mesa. ¿Esperas que se drene porque está en un campo gravitacional? Si no es así, ¿de dónde viene la energía para causar la radiación que esperas? ¿Del campo de gravedad? ¿Significa eso que la Tierra pierde masa porque la cargamos un poco?
Sí, el documento dice que la energía proviene del campo de gravedad, pero si miras la fórmula, la potencia es pequeña. ¿Por qué la tierra no debería perder un poco de su masa invariable debido a esto? Es el vector de impulso de energía total de la tierra después de todo lo que se verá afectado.
Entonces, ¿estás diciendo que la energía radiada proviene del campo gravitatorio? ¿Significa esto que la masa de cada átomo de la Tierra se está reduciendo un poco o que los átomos individuales están desapareciendo de vez en cuando?
Pero @CuriousOne estamos hablando de relatividad aquí. Incluso si algunos ángulos de los átomos cambian, la energía puede suministrarse, si la velocidad de la tierra cambia, lo mismo ocurre. Solo el impulso de energía cambia un poco debido a los pequeños acoplamientos. la masa no es una cantidad conservada en S y GR
Entonces, ¿está diciendo que una carga estática puede radiar debido a algunos movimientos térmicos de los átomos en un cuerpo del tamaño de un planeta y que puede durar para siempre? ESTÁ BIEN. ¿Y la relatividad general (que no sabe nada sobre la estructura de la materia) dice eso? :-)
@CuriousOne no térmico, térmico es electromagnético. gravitacional. La relatividad general tiene cuatro vectores, es decir, masas invariantes y masas no aditivas.
@CuriousOne y el propio espacio cambia en GR
Entonces, ¿estás diciendo que la única razón por la que las cargas estáticas irradian es porque el planeta está caliente? ¿A pesar de que la temperatura no está definida en ninguna parte en GR? ¿Y los cambios de espacio? GR asigna una estructura al espacio que puede emitir energía para siempre? es así como funciona? Estoy confundido.
@CuriousOne No, no estoy diciendo eso. Estoy diciendo que el campo gravitacional existe y en conjunto con el electromagnético el resultado es que las cargas estacionarias irradian, mientras que las de caída libre no. La aceleración g de la carga estática crea la onda em. La energía proviene del campo gravitatorio. Supongamos que si uno va a gravitones, la energía y el momento se intercambian con gravitones en algunos diagramas complicados (una razón más será muy improbable) con la carga estacionaria.
Mira, estás diciendo nada más y nada menos que un cuerpo gravitatorio cargado es una fuente eterna de energía, pero no puedes identificar el mecanismo por el cual se genera esa energía. Actualmente, simplemente está agarrando cada vez más pajas, ninguna de las cuales existe en la teoría, en lugar de examinar si tal vez está resolviendo la paradoja de manera incorrecta. Una carga sentada en un campo de gravedad no irradia. Eso puede no estar de acuerdo con una interpretación ingenua del principio de equivalencia, por lo que uno tiene que trabajar en uno no ingenuo, que no puede ofrecer, sino que viola la conservación de la energía.
@CuriousOne Confío en el documento que estoy citando, no en su intuición. No es el cuerpo cargado la fuente de energía, sino el campo gravitatorio. Similar a la radiación del cuerpo negro, no es el cuerpo la fuente de energía sino la energía electromagnética almacenada en el cuerpo.
No te estoy pidiendo que confíes en nada, te estoy pidiendo que me expliques de dónde viene la energía. El "campo gravitacional es la fuente de la energía" no es una explicación suficiente. ¿Cómo es el campo gravitatorio la fuente de la energía? ¿Cómo cambia mientras la carga expulsa esta energía al espacio? ¿Cómo convierte la gravedad los fermiones en bosones? ¿Es este un mecanismo que viola la conservación del número de leptones? ¿Como funciona? Estas son preguntas importantes y tienes que ser capaz de responderlas si quieres que crea que una carga colocada sobre una mesa emite radiación electromagnética.
@CuriousOne Gravitation es distorsión del espacio. La distorsión del espacio tiene consecuencias de impulso energético que afectan a toda la materia/energía (como se ve en LIGO). La energía se toma de la distorsión del espacio, que caerá a una energía potencial más baja al emitir un fotón. la mecánica cuántica y sus gráficos de feynman para la interacción tienen que entrar aquí para una teoría consistente.
Philipp, vea mi respuesta anterior a su pregunta. "Obviamente, la aceleración de la gravedad en diferentes 'periferias' del campo eléctrico de la carga en un momento dado será diferente en mayor o menor grado. ¿Tiene alguna consecuencia en términos de radiación? -" Es obvio para mí que uno tiene que tener un modelo mecánico cuántico sólido que incluya la cuantización de la gravedad para poder resolver marcos y condiciones de contorno específicos. Dependerá de las soluciones y los valores límite para un marco dado, como para todas las respuestas a los problemas de radiación electromagnética.
Nada cae en el caso de una carga en reposo. Simplemente se sienta allí. La relatividad general no hace que dW=Fds y la conservación de la energía desaparezcan. Su artículo afirma que una carga en reposo emite constantemente radiación electromagnética. Esa energía tiene que venir de alguna parte... y no puedo ver de dónde se supone que debe venir. No existe una teoría cuántica de la gravedad y el artículo hace una afirmación perfectamente clásica, así que, por favor, dígame de dónde proviene la energía. ¿Cuál es la fuente?
@CuriousOne exactamente de dónde proviene la energía registrada en LIGO electromagnéticamente, la distorsión del espacio del campo gravitatorio debido a la energía de la carga electromagnética. La cuantificación eficaz de los modelos de gravedad se utiliza continuamente. Estoy de acuerdo en que la situación no es satisfactoria. Aceptamos para LIGO que a medida que pasa la onda gravitacional, la distancia cambia y la onda electromagnética cambia. No puedo ver por qué lo contrario no es cierto, incluso de forma clásica, aunque no tengo las herramientas matemáticas para demostrarlo.
LIGO obtiene sus señales de dos veces veinte masas solares que caen entre sí. Puedo ver claramente de dónde viene la energía en ese caso. Aquí tienes algunos electrones sentados en la mesa, sin hacer exactamente nada. Ya sabes cómo es en física... cuando no pasa nada, tampoco se está realizando ningún trabajo. Entonces, ¿de dónde viene la energía cuando no pasa nada?
@CuriousOne déjanos detener esto. No puedo convencerte y tú no puedes hacerme dudar. La energía proviene de la energía potencial gravitacional liberada, en mis libros, y el proveedor original de energía, como para todas las energías del universo, proviene del big bang. La carga sentada se hunde muy, muy lentamente en el espacio-tiempo, debido a g, y la energía se libera en ondas em. Esa es mi comprensión intuitiva que choca con su comprensión.
Pero puedes convencerme. Dime de dónde viene la energía en caso de una carga en reposo. No hay cambio en el campo gravitatorio. No hay cambio en la geometría. Todo es perfectamente estático y el big bang no juega ningún papel en esto. Ahora, creo que hemos estado en este bloque lo suficiente como para saber que no tienes una respuesta y que simplemente no puedes admitirlo. Que tengas un buen día, entonces.
@anna_v Muchas gracias por la respuesta completa. Entonces, para recapitular, si el entendimiento de mi profano es correcto, un ladrillo cargado eléctricamente que cae libremente hacia la Tierra no irradia el más mínimo ápice, porque el campo eléctrico en sí cae 'con' el ladrillo por igual, acelerando de la misma manera - equivalencia principio permanece 'revestido de hierro'. Un ladrillo estacionario cargado eléctricamente en la superficie de la Tierra RADIA. Pero ambas cosas, por desgracia, en el momento actual de la historia no se pueden probar experimentalmente porque la radiación (no) esperada es prohibitivamente débil.
@anna Sin embargo, un aspecto todavía me parece un poco confuso: porque en realidad no existen cosas como el campo gravitatorio uniforme, y las fuerzas de marea siempre están ahí, ¿cómo sería (o no) el campo eléctrico de la carga que cae libremente (hacia el la Tierra o la Luna) interactúan, si esa es una palabra adecuada, con el campo de gravedad no uniforme? ¿Causará alguna radiación o no? Obviamente, la aceleración de la gravedad en diferentes 'periferias' del campo eléctrico de la carga en un momento dado será diferente en mayor o menor grado. ¿Tiene alguna consecuencia en términos de alguna radiación?
@Philipp Su resumen es correcto. La falta de uniformidad en el camino de un bloque de carga en caída libre tendrá un efecto, pero uno tendría que resolver la situación específica y encontrar si el campo y la masa conservan su simetría o si hay distorsiones, imo. Es el cambio que induce la radiación.
@anna Sí, lo tengo. Sin embargo, hablando de la carga que descansa sobre la tierra, todavía no puedo deshacerme de algunas 'dudas' vagas sobre si este caso es en todos los aspectos análogo a la carga que simplemente se mueve con aceleración constante.
@anna Sí, lo tengo. Sin embargo, hablando de la carga que descansa sobre la Tierra, todavía no puedo deshacerme de algunas 'dudas' vagas sobre si este caso es en todos los aspectos análogo a una carga que simplemente se mueve con aceleración constante. Verá, el problema es que, mientras la carga sea acelerada, digamos, por un motor, no solo distorsiona su campo (creando solo estrés), sino que produce una distorsión continua, que nunca se detiene, 'comprimiendo' el campo más y más a medida que continúa la aceleración, porque hay un retraso de tiempo constante desde el inicio entre la carga y el borde frontal muy distante del campo..?
Del ejemplo dado, a menos que me haya perdido algo importante, el campo de la carga que descansa sobre la Tierra está simplemente distorsionado y esta distorsión permanece geométricamente constante: el campo intenta caer con la misma aceleración en todos sus puntos pero contra la carga soportada. Pero no parece ser lo mismo con solo una carga acelerada por un motor: los bordes infinitos de su campo primero "no saben" que la carga comenzó a moverse, pero incluso después de eso, no pueden "ponerse al día" por completo. ' en su velocidad con la carga mientras continúa acelerando constantemente. Pero no parece ser así en gravedad uniforme.
Pero el campo se acelera constantemente. La imagen es para el tiempo t, pero en el tiempo t1 habrá radiado y seguirá estando distorsionada con respecto a la masa/carga
@anna ¿Pero eso significa que el campo con el tiempo se distorsiona cada vez más, que continúa 'cayendo' en relación con la carga básicamente indefinidamente? ¿O en algún momento se 'estabilizará' en algún estado 'estáticamente deformado', como en la imagen que mostraste? Porque si este es el caso (los electrones radiarán indefinidamente), realmente invoca serias implicaciones: 1. O un observador distante puede hacer un motor eterno basado en el uso de esa radiación - completo no-no 2. O la Tierra realmente pierde energía (y masa también) a través de este fenómeno. Si es así, es un gran descubrimiento del Premio Nobel.
La energía perdida es infinitesimalmente pequeña dentro de la vida del universo, simplemente sustituya los números en la fórmula de potencia. Y esto es para cargos gratuitos sentados en la superficie, que es neutral. Las cargas ligadas mecánicamente cuánticas no irradian. De todos modos, la tierra pierde continuamente energía de radiación electromagnética a través de la radiación del cuerpo negro. Sobre la forma del campo, no puedo responder, pase lo que pase será muy lento debido a la pérdida de potencia infinitesimalmente pequeña.
@anna Mi sospecha es que esas ondas solo se pueden ver desde el marco de referencia que cae libremente en relación con esa carga que se encuentra sobre el soporte, mientras que el observador que está parado cerca de la carga no verá nada, y el observador lejos de la tierra donde el el espacio es lineal tampoco verá (no detectará) nada. Pero tal vez estoy equivocado
Dudo mucho de las conclusiones extraídas aquí. El mismo Feynmann afirma en sus Lectures on Gravitation, que la potencia radiada es proporcional a la tercera derivada de la posición, que colapsa en su ecuación (9) para el movimiento sinusoidal. Encontré un enfoque muy matemático pero convincente aquí: mathpages.com/home/kmath528/kmath528.htm
¿Cómo puede la carga "hundirse" cuando descansa sobre una superficie sólida (relativamente) inflexible? ¿Se está flexionando lentamente esa superficie de alguna manera? Si es así, ¿no se traduciría eso en un "peso" gradualmente creciente que se le aplica? ¿A qué le atribuimos esto? ¿Se atrae con más fuerza que un objeto neutro? Pero entonces, ¿por qué un objeto normal adecuadamente más pesado no se hunde inevitablemente? ¿No obtienes un equilibrio de fuerzas? ¿Qué lo impide?
@The_Sympathizer Es el campo que se hunde, en un marco apropiado, no la partícula,
Ya tenemos una pregunta que se refiere a la teoría. Esta pregunta es únicamente sobre el experimento. Esta respuesta comienza con una respuesta teórica demasiado segura sobre un tema difícil y controvertido, y hace referencia a un solo artículo, que parece ser un informe inédito.
@BenCrowell hay una publicación detrás de un muro de pago worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0217751X05024547 ; Además, espero que, como físico experimental, se me permita decidir si es posible realizar un experimento, basándome en las predicciones teóricas para el sistema que se está considerando.

Creo que se puede probar experimentalmente. En ausencia de un campo gravitacional, es posible detectar la radiación EM de una carga en movimiento: si la influencia eléctrica de la carga a distancia se retrasa en relación con la posición de la carga, como se espera de la velocidad de propagación finita de las perturbaciones en el EM campo, entonces diría que se está detectando radiación.

Una esfera cargada podría dejarse caer sobre un plato duro para que rebote. El rebote sería "chirrido", aumentando en frecuencia hasta que el rebote se detenga. La frecuencia sería baja, quizás tan baja como unos pocos cientos de hercios como máximo. Sin embargo, esa señal debe ser detectable con un aparato suficientemente sensible.

Habría tres componentes posibles de la señal: uno que ocurriría en el momento del rebote cuando la esfera es acelerada, y dos componentes correspondientes al movimiento hacia arriba y hacia abajo, ambos en caída libre.

No estoy del todo seguro de que los dos tipos de señales puedan distinguirse, pero teniendo en cuenta que la frecuencia de los componentes de caída libre sería algo independiente de los detalles de la breve aceleración en el momento del rebote, sospecho que los componentes podrían examinarse por separado.

Probar si una masa cargada estacionaria en un campo gravitatorio irradia es mucho más difícil, porque no habría una frecuencia particular para medir.

Detectar los fotones emitidos por una carga que se acelera en la gravedad de la Tierra parece una tarea inútil, dado que la potencia radiada es pequeña (consulte la fórmula 9 en la respuesta de Anna). Pero podemos intentar explotar el hecho de que el número de fotones emitidos siempre diverge por pequeña que sea la aceleración. Si bien los fotones de muy baja energía (los llamados "fotones suaves") no pueden detectarse directamente, el hecho de que tales fotones hayan sido emitidos puede detectarse indirectamente midiendo los efectos de decoherencia.

Por ejemplo, uno puede considerar hacer un experimento de interferencia de dos rendijas con electrones donde una rendija se coloca sobre la otra rendija. Los electrones en los caminos que terminan en algún punto de la pantalla emitirán fotones suaves, los caminos que pasan por la rendija superior lo harán de forma ligeramente diferente a los caminos que pasan por la rendija inferior. El estado del campo electromagnético es similar pero no exactamente el mismo para los dos caminos. La superposición entre los dos estados dependerá de en qué parte de la pantalla termine el electrón, el módulo al cuadrado de esta función multiplica el patrón de interferencia que obtendrías sin este efecto. Cuanto mayor sea la distancia entre las dos rendijas, mayor será este efecto de decoherencia debido a la emisión de fotones suaves.

@anna_v Muchas gracias por la respuesta completa. Entonces, para recapitular, si el entendimiento de mi profano es correcto, un ladrillo cargado eléctricamente que cae libremente hacia la Tierra no irradia el más mínimo ápice, porque el campo eléctrico en sí cae 'con' el ladrillo por igual, acelerando de la misma manera - equivalencia principio permanece 'revestido de hierro'. Un ladrillo estacionario cargado eléctricamente en la superficie de la Tierra RADIA. Pero ambas cosas, por desgracia, en el momento actual de la historia no se pueden probar experimentalmente porque la radiación (no) esperada es prohibitivamente débil.
Sin embargo, un aspecto todavía me parece un poco confuso: debido a que en realidad no existen cosas como el campo gravitacional uniforme, y las fuerzas de marea siempre están ahí, ¿cómo sería (o no) el campo eléctrico de la carga en caída libre (hacia la Tierra o Luna) interactuar, si esa es una palabra adecuada, con el campo de gravedad no uniforme? ¿Causará alguna radiación o no? Obviamente, la aceleración de la gravedad en diferentes 'periferias' del campo eléctrico de la carga en un momento dado será diferente en mayor o menor grado. ¿Tiene alguna consecuencia en términos de alguna radiación?
Una doble rendija es un experimento muy impreciso, tal como es. En todo caso, esto requeriría un experimento de física atómica o nuclear muy preciso.
Esto no parece muy plausible. Si existiera alguna técnica especial para detectar un flujo infinitesimal de fotones de energía ultrabaja, sería increíble. No veo cómo una doble rendija va a hacer eso.
@BenCrowell Causa decoherencia, solo detecta la decoherencia causada por los fotones suaves, no los fotones suaves directamente.
Tal vez, pero esto me suena poco probable porque cuanto más suave se vuelve un fotón, menos descohesiona una superposición (ya que para longitudes de onda grandes no puede resolver las dos rendijas). Se ha observado decoherencia por emisión de fotones, pero generalmente requiere un experimento de doble rendija muy delicado con el objeto calentado a temperaturas extremas, de modo que emita fotones de longitud de onda suficientemente corta.
¿Se puede probar experimentalmente la cuestión de una radiación de carga acelerada gravitacionalmente?
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