Ohyb svetla

Ohyb svetla v gravitačnom poli je možné vypočítať z klasickej Newtonovskej fyziky, alebo z Einsteinovej obecnej teórie relativity. Výsledok je však, ako je známe, rozdielny. Podľa Einsteinovej teórie je odchýlka dvojnásobná. V klasickej Newtonovskej fyzike sa v rovniciach hmota telesa, pohybujúceho sa v gravitačnom poli vykráti, takže trajektória telesa nezávisí od  jeho hmotnosti. Na väčšie teleso pôsobí väčšia gravitačná sila, avšak teleso sa „bráni“ proti tejto sile väčšou zotrvačnou silou. Preto, že tieto sily sú presne rovnaké, všetky telesá sa v gravitačnom poli pohybujú rovnako. Bez ohľadu na ich hmotnosť. Tento princíp sa nazýva ekvivalencia gravitačnej a zotrvačnej hmotnosti. Samozrejme, tieto úvahy platia, ak je pohybujúce sa teleso podstatne menšie, ako teleso vytvárajúce gravitačné pole. Ak by to tak nebolo, princíp ekvivalencie by bol tiež zachovaný, no museli by sme zvoliť ťažiskovú sústavu a matematické riešenie by sa skomplikovalo. Ďalej budeme uvažovať o takzvanom testovacom telese, teda takom, ktoré svojou hmotnosťou neovplyvňuje vonkajšie gravitačné pole.

Potvrdenie správnosti Einsteinovej teórie bolo prvý raz preukázané Arturom Eddingtonom (1882-1944),  v roku 1919. Pri zatmení Slnka pozoroval odchýlku svetla, v gravitačnom poli Slnka. Zmeraná odchýlka bola dva krát väčšia, ako odchýlka vypočítaná z Newtonovej teórie. Presne v zhode s Einsteinovou teóriou. Tento fakt sa stal jedným z pilierov, potvrdzujúci obecnú teóriu relativity,. Táto hodnota ale platí nie len pre svetlo, ale akékoľvek teleso. Fotóny sú však, na rozdiel od telies, častice bez kľudovej hmotnosti. Môžeme síce tvrdiť, že gravitácii „je to jedno“, lebo trajektória nezávisí od hmotnosti, ale to znamená, že ekvivalencia gravitačnej a zotrvačnej hmotnosti sa musí vzťahovať aj na fotóny. Fotón, ako časticu si môžeme predstaviť iba ak je lokalizovaná v priestore. Pri interakcii vieme určiť jej polohu a hybnosť. Ak však „letí “ nevieme ju lokalizovať a nepoznáme ani jej trajektóriu. V kvantovej fyzike poznáme iba pravdepodobnosť jej polohy a hybnosti. Môže sa s určitou pravdepodobnosťou nachádzať kdekoľvek, v celom priestore. Ako chceme zachovať princíp ekvivalencie zotrvačnej a gravitačnej hmotnosti, keď nevieme definovať jej polohu a hybnosť. V kvantovej fyzike to nie je problém, lebo nás zaujíma interakcia  fotónu, teda to, čo je experimentálne merateľné. Pravdepodobnosť, kde sa fotón nachádza síce nie je merateľná, ale verifikovateľná. Ako inak, opäť iba interakciou. Ako gravitácia pôsobí na fotón, ktorý sa môže s určitou pravdepodobnosťou nachádzať kdekoľvek v priestore?  Ekvivalencia zotrvačnej a gravitačnej hmotnosti nie je pre fotón asi  najlepším riešením. Einsteinova teória gravitačnú a zotrvačnú hmotnosť nepotrebuje, preto, že považuje voľne pohybujúcu sa sústavu spojenú s telesom, za inercionálnu. Teda neoperuje ani s pojmom gravitačnej a zotrvačnej sily. Umožňuje to fotónu pohybovať sa s určitou pravdepodobnosťou po ľubovoľnej trajektórii a podobne ako v optike, „vybrať“ si najpravdepodobnejšiu trajektóriu, princípom najmenšej akcie. Trajektóriu môžeme vypočítať pomocou variačného počtu. Jediný rozdiel je v tom, že fotón sa pohybuje v zakrivenom priestore, ktorý má na „svedomí“ gravitácia. Tento princíp môžeme aplikovať nie len na fotón, ale na akékoľvek iné teleso a zbaviť sa pojmu zotrvačnej a gravitačnej hmotnosti. Tieto pojmy nadobúdajú zmysel, iba ak bránime telesu zotrvať v inerciálnom pohybe. Výpočet odchýlky fotónu a telesa v experimente podobnom pokusu, ktorý robil  Eddingtonom je rovnaký. 

Pokus o výpočet je tu: