Один из самых частых вопросов, которые нам присылают звучит так:
Почему гравитация воздействует на фотоны, которые, по идее, не обладают массой, как в случае с черными дырами?
Пора разобраться в этом вопросе.
Школьный курс физики обычно не затрагивает тему теории относительности, ограничиваясь ньютоновским описанием гравитации, которое связывает силу притяжения между двумя массами с их величиной и расстоянием между ними.
Из этого положения кажется логичным заключение: если масса у фотонов отсутствует и подставить в уравнение ноль вместо массы, то и сила притяжения должна быть нулевой. Таким образом, гравитация, казалось бы, не оказывает влияние на свет.
Это утверждение корректно в рамках физики, которая была актуальна до конца 19-го века. Однако, ньютоновская теория гравитации носит описательный характер. Ньютон предоставил формулу, согласно которой расчеты дают точные результаты, но природа самого гравитационного притяжения ему была неизвестна.
С течением времени, точность ньютоновской теории подверглась сомнению, особенно после обнаружения аномалии в движении Меркурия, известной как "смещение перигелия Меркурия".
Прежние попытки объяснения этого явления предполагали существование невидимой планеты Вулкан, которую так и не удалось обнаружить. Этот вопрос требует отдельного рассмотрения.
С приходом 20-го века, наука сделала значительный прорыв, представив общую теорию относительности (ОТО), которая не только уточнила математический аппарат для описания гравитации, но и объяснила ее суть. Эйнштейн предложил концепцию гравитации как искривления самой структуры пространства-времени.
Для иллюстрации эффекта гравитационного искривления пространства часто используется образ растянутой ткани и шара, давящего на ее центр. В такой аналогии ткань представляет собой двумерную модель пространства, которое под воздействием тяжести шара искажается. Если представить, что на этой ткани заранее начерчены пути световых частиц - фотонов - в двумерном пространстве, то после помещения шара на неё станет очевидно, что пути фотонов, пролегающие вблизи шара, искривляются.
Так же и в реальности массивные объекты, будь то планеты, звезды или черные дыры, вызывают искажение пространства-времени вокруг себя. Фотоны, перемещающиеся по космосу, следуют линиям, которые в неискривленном пространстве представлялись бы прямыми. Но в искривленном пространстве-времени эти линии также становятся искривленными, создавая эффект, известный как "гравитационное линзирование".
Благодаря этому явлению мы можем наблюдать космические объекты, обычно скрытые за другими тяжелыми телами. Пример такого явления - "крест Эйнштейна", где галактика ZW 2237+030 искривляет свет от за ней расположенного квазара QSO 2237+0305 так, что квазар виден в четырех различных точках вокруг галактики.
Еще один пример - "космическая подкова", где свет от удаленной галактики, пролегающей почти на одной линии с нашим взглядом, искривляется близлежащей массивной галактикой-линзой LRG 3-757 и формирует изображение в виде круга.
Остается отметить, что фотоны, оказавшиеся в области гравитационного колодца черной дыры, уже не могут покинуть ее, так как для этого им необходимо было бы преодолеть бесконечное пространственное расстояние.
Читайте также: Что покажет камера падающая в чёрную дыру?
Интересный факт в этой связи: в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна масса фотонов напрямую не фигурирует; вместо этого там присутствует тензор энергии-импульса, который описывает распределение энергии и импульса в пространстве-времени.
Вы можете поддержать наш проект финансово через Юmoney: 5599002038791291
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!