Очень часто нам поступает один и тот же вопрос:
Как гравитация чёрных дыр может влиять на свет/фотоны, если у них нет массы?
Это очень хороший вопрос, потому что он предоставляет возможность подробнее рассказать о том что такое гравитация, как работает теория относительности и как устроено наше пространство-время.
Чёрный дыры и вправду преломляют свет, проходящий рядом с ними. Данный эффект называют гравитационным линзированием, он был открыт достаточно давно и присущ не только чёрным дырам, но и любым другим массивным телам. На чёрных дырах он просто лучше всего виден.
Большинство людей считают так: у фотонов нет массы, значит, по закону всемирного тяготения, на них не должна действовать гравитация. Верно же?
Однако, это правильно лишь с точки зрения ньютоновской гравитации, которая хоть и подходит для обыденных расчётов, но абсолютно не даёт понимания, что собой представляет гравитация. Закон всемирного тяготения Ньютона является эмпирическим, он даёт простую формулу, по которой можно рассчитать силу притяжения между массивными объектами, но он не объясняет, откуда эта сила берётся.
Когда речь заходит о природе гравитации и её особых свойствах нам на помощь приходит общая теория относительности (ОТО). Эйнштейн описал гравитацию, как искривление пространства-времени, и именно в результате него, тела притягиваются друг к другу.
Любое тело, обладающее массой, прогибает под собой ткань пространства-времени и образует так называемый гравитационный колодец.
Обычно это иллюстрируют при помощи аналогии как на размещённом выше фото: массивный металлический шар в центре существенно искривляет под собой двумерную ткань пространства, а искривление ткани под шаром вызывает меньшее искривление вокруг него. Благодаря размеченной на ткани заранее сетке отлично видно как искривляются прямые траектории вблизи массивного тела.
Чем массивнее будет объект, тем глубже будет его гравитационный колодец, а чем плотнее объект, тем более крутыми будут стенки колодца. Гравитационный колодец чёрной дыры вообще будет бесконечно глубоким.
В пространстве фотоны всегда движутся по прямой, однако, когда они пролетают через гравитационный колодец, то, с точки зрения внешнего наблюдателя, их траектория искривляется также как искривлялись прямые на ткани рядом с металлическим шаром.
Таким образом, для внешнего наблюдателя траектория фотона вблизи чёрной дыры выглядит искривлённой, но, с точки зрения самого фотона, он всегда движется по прямой, просто на его пути искривляется само пространство. Когда же фотон попадает под горизонт событий чёрной дыры, то пространство становится настолько кривым, что траектория фотона через него становится бесконечно длинной. Попытка фотона вылететь из-под горизонта событий становится похожа на попытку добежать до конца чрезвычайно быстрой беговой дорожки.
Автор: Фёдор Карасенко.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в телеграме и на youtube. Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос. Поддержать наш канал материально можно через patreon.