Один из самых частых вопросов, которые нам присылают звучит так:
Фотоны же безмассовые, как тогда на них действует гравитация чёрных дыр?
Давайте разбираться вместе.
Кстати прослушать эту статью с наглядными иллюстрациями можно на нашем канале на ютуб
Обычно, в школьном курсе физики, не рассматривается теория относительности и всё знакомство школьников с теорией гравитации ограничивается ньютонианским законом всемирного тяготения.Как мы знаем из этого закона сила притяжения пропорциональна массам и обратно пропорциональна расстоянию между телами.
Исходя из этого люди рассуждают так: у фотонов нет массы. Если в формулу в место одной из масс подставить ноль, то получится ноль. Стало быть сила притяжения будет равна нулю. Получается гравитация не должна каким-либо образом влиять на свет.
Это действительно так если смотреть на вещи с позиций физики 17-19-го веков. Но дело в том, что теория гравитации в формулировке Ньютона является эмпирической. По сути Ньютон как бы сказал «Вот вам формула. Если по ней считать, то получается правильно. А вот почему так и откуда вообще берётся это притяжение — наука пока не в курсе дела».
Со временем в результатах получаемых по этой формуле обнаружились неточности, в частности было открыто смещение перигелия Меркурия.
Его долго пытались объяснить наличием гипотетической планеты Вулкан между Солнцем и Меркурием, но найти её никак не получалось. Но об этом как-нибудь в другой раз.
Наконец в начале 20-го века была создана новая теория гравитации — ОТО (общая теория относительности). Эта теория не только дала гораздо более точный математический аппарат, но и дала объяснение природе гравитации. Эйнштейн объяснил гравитацию искривлением пространства.
Хорошей наглядной иллюстрацией искривления пространства является классический пример с натянутым полотном с лежащим в середине шаром. Полотно — это двумерное пространство. Прогибаясь под тяжестью шара оно искривляется.Если перед тем, как бросить на полотно шар начертить на нём траектории фотонов, движущихся в двумерном пространстве то после помещения шара мы увидим, что траектории фотонов проходящих вблизи места, где лежит шар станут искривлены.
Точно таким же образом массивный объект — планета, звезда или чёрная дыра создают искривление в ткани пространства-времени. Фотоны движутся по прямолинейным траекториям. Однако так как происходит искривление самого пространства-времени, то искривляются и траектории фотонов. Это хорошо известный эффект называемый «гравитационным линзированием».
Благодаря этому эффекту мы, например, можем видеть объекты, скрытые от нас другими массивными объектами. Хорошим примером является «крест Эйнштейна», — галактика-линза ZW 2237+030 своей массой искривляет свет от квазара QSO 2237+0305 расположенного за ней и мы видим сразу четыре изображения одного и того же квазара по разные стороны от галактики.
Другим показательным примером является «космическая подкова» — свет фоновой галактики расположенной почти точно на луче нашего зрения оказывается «размазан» в виде почти полной окружности массивной галактикой-линзой LRG 3-757.
Однако вернёмся к нашим фотонам. Фотоны, которые попали под горизонт событий чёрной дыры, оказываются на дне её бесконечного гравитационного колодца. Чтобы вырваться им необходимо фактически преодолеть бесконечное расстояние.
Читайте также: Что покажет камера падающая в чёрную дыру?
Таким образом гравитация очень массивных объектов искривляет пространство-время в окрестностях этих объектов и это приводит к искривлению траекторий фотонов пролетающих рядом. Ну и конечно стоит добавить, что если мы посмотрим на уравнение Эйнштейна, то не найдём там массы от слова совсем. Только тензор энергии-импульса.
Авторы: астрофизик Фёдор Карасенко, кандидат технических наук Александр Петров
Подписывайтесь на наш канал здесь, а также на наш канал на youtube. Каждую неделю там выходят видео, где мы отвечаем на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!