Мы привыкли считать, что свет распространяется по прямой. Еще в школьной физике нам рассказывали, что древние египтяне для того, чтобы установить колонны по прямой линии использовали закон прямолинейного распространения света. Они располагали колонны таким образом, чтобы из-за ближайшей не были видны все остальные.
Но так уж ли нерушим этот закон? Оказывается, закон прямолинейного распространения света является частным случаем распространения света по геодезическим линиям, который следует из уравнений Эйнштейна в общей теории относительности. А в космических масштабах свет не просто может изгибаться, но и двигаться по кругу.
Что такое геодезические линии
Геодезические линии в пространстве — это линии, дуги которых являются в этом пространстве кратчайшими путями между их концами. Представьте себе двухмерное пространство в виде сферы. Между любыми двумя точками кратчайшим расстоянием будет дуга, а не прямая. Для лучшей визуализации можете представить себе человека, идущего по поверхности Земли. Если ему нужно в кратчайшее время добраться из одной точки в другую, достаточно далеко расположенных друг от друга, то он пройдёт по прямой. Но, удалившись от человека на расстояние, можно увидеть, что он прошёл по дуге.
Мы живем в трёхмерном пространстве, которое тоже может искривляться под действием больших масс. Общая теория относительности рассматривает пространство с геометрической точки зрения. Любой объект, имеющий массу, искривляет пространство. Однако в случае масс, сравнимых с массами планет, такое искривление ничтожно мало. Не говоря уже об объектах, с которыми мы привыкли иметь дело в повседневной жизни.
Интересное начинается при рассматривании объектов, сравнимых с массами звёзд. Чем больше масса объекта, тем сильнее искривляется пространство. Эйнштейн предсказал, что, двигаясь по геодезическим линиям, луч света будет изгибаться рядом с массивными объектами.
Что такое гравитационное линзирование
Гравитационное линзирование — это явление, когда луч света изгибается под действием гравитации.
Впервые его наблюдали в 1919 году. Во время полного солнечного затмения было замечено, что звезда, находящаяся рядом с диском солнца, немного изменила свое положение: свет, пришедший от звезды, отклонился под действием гравитации Солнца. То есть на самом деле наблюдатели видели не саму звезду, а его так называемое мнимое изображение.
Разберёмся, что значит мнимое изображение. Для этого представим, что между наблюдателем на Земле и некоторой далёкой звездой оказалась галактика. Что тогда произойдёт? Свет, идущий от звезды, отклонится под действием гравитационного поля галактики, и изображение звезды сместится от своего первоначального положения (см. схему). Наблюдатель может увидеть несколько мнимых изображений звезды, а при идеальных условиях звезда превратится в кольцо вокруг галактики. Такое изображение называется кольцом Эйнштейна.
Теперь представим ещё более экстремальную ситуацию. Допустим, что луч света проходит близко к чёрной дыре. Известно, что притяжение чёрных дыр настолько велико, что даже свет не может покинуть его гравитационное поле. А что, если свет проходит чуть дальше от гравитационного радиуса? В этом случае фотон света будет бесконечно вращаться вокруг чёрной дыры. Такое расстояние от чёрной дыры называется радиусом фотонной сферы.
Вопрос для пытливых умов: как вы думаете, можно ли увидеть фотонную сферу? Ответ в комментариях.