5 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Как уже говорилось выше, теория тяготения Эйн­штейна предсказывает, что темп течения времени тем медленней, чем ближе «часы» находятся к гравитаци­онному радиусу. Это означает, что какие бы процессы ни протекали в сильном поле тяготения, далекий наб­людатель увидит их в замедленном темпе.

Так, для далекого наблюдателя колебания в атомах, излучающих свет в сильном поле тяготения, происходят замедленно, и фотоны от этих атомов, достигающие наб­людателя, приходят к нему «покрасневшими»: их частота уменьшается. Это явление носит название гравита­ционного красного смещения (оно послужило основой для одной из проверок правильности теории Эйнштей­на). Для нас сейчас важен тот факт, что замедление времени и покраснение света тем больше, чем ближе область излучения к границе черной дыры (к сфере Шварцшильда). Там время замедляет свой бег, и на самой границе черной дыры бег времени как бы зами­рает для далекого наблюдателя. Этот наблюдатель, сле­дя, например, за камнем, падающим к черной дыре, ви­дит, как у самой сферы Шварцшильда падение камня постепенно замедляется и лишь за бесконечно долгое время он приблизится к границе черной дыры.

Аналогичную картину увидит далекий наблюдатель при самом процессе образования черной дыры — когда падает под действием тяготения само вещество звезды. Для наблюдателя, удаленного от черной дыры, поверх­ность звезды лишь за бесконечно долгое время прибли­жается к сфере Шварцшильда, как бы застывая на гра­витационном радиусе. Поэтому раньше черные дыры на­зывали «застывшими» звездами.

Но это застывание вовсе не значит, что наблюдатель будет вечно созерцать застывшую поверхность звезды на гравитационном радиусе. Вспомним о замедлении времени, о покраснении света, выходящего из сильного гравитационного поля. С приближением поверхности звезды к гравитационному радиусу наблюдатель видит все более и более покрасневший свет звезды, несмотря на то что на самой звезде продолжают рождаться обыч­ные фотоны. Менее энергичные («покрасневшие») фото­ны к тому же приходят к наблюдателю все реже и реже. Интенсивность света падает.

К факту замедления времени здесь прибавляется еще покраснение света из-за Доплер-эффекта. Действи­тельно, ведь поверхность сжимающейся звезды удаляет­ся от наблюдателя. А известно, что свет от удаляющего­ся источника воспринимается также покрасневшим (это и есть Доплер-эффект).

Итак, совместное действие Доплер-эффекта и замед­ления времени в сильном поле тяготения ведет к тому, что с приближением поверхности звезды к сфере Шварцшильда далекий наблюдатель видит свет все бо­лее покрасневшим и все меньшей интенсивности — звезда становится невидимой. Ее яркость стремится к нулю, и ни в какие телескопы ее нельзя уже обнаружить. При этом потухание происходит для далекого наблюдателя практически мгновенно. Так, звезда с массой Солнца после того, как она сжалась до размеров удвоенного гравитационного радиуса, потухнет для внешнего наб­людателя за стотысячную долю секунды.

Нельзя обнаружить поверхность «застывшей» у гра­витационного радиуса звезды и радиолокационным ме­тодом. Радиосигналы будут бесконечно долго двигаться к гравитационному радиусу и никогда не вернутся к пославшему их наблюдателю. Звезда для внешнего наб­людателя полностью «исчезает» и остается только ее гравитационное поле. Внешний наблюдатель никогда не увидит то, что произойдет со звездой после ее сжатия до размеров меньше гравитационного радиуса.

«Стоп! — скажет читатель, — о каких размерах меньше гравитационного радиуса можно говорить, когда сам процесс сжатия до гравитационного радиуса растя­гивается на бесконечный срок? Ведь мы только что го­ворили, что звезда «застывает» при размерах, равных гравитационному радиусу. Когда же она станет меньше гравитационного радиуса? После бесконечно долгого времени?»

Вот тут-то и проявляется одна из самых удивитель­ных и важных истин, открытых теорией относительности Эйнштейна, — относительность временных промежут­ков, зависимость их от состояния движения наблюдате­ля. Вспомним, что уже в специальной теории относи­тельности, без всяких гравитационных полей, один и тот же процесс с точки зрения разных наблюдателей имеет различную длительность: часы на быстро летящей ра­кете идут, с точки зрения неподвижного наблюдателя, медленнее, чем покоящиеся. В случае падения к черной дыре эта относительность длительности процесса прояв­ляется в совершенно удивительном виде. Рассмотрим это явление подробнее.

Представим себе ряд наблюдателей, расположенных вдоль линии, продолжающей радиус черной дыры, и не­подвижных по отношению к ней. Например, они могут находиться на ракетах, двигатели которых работают, не давая наблюдателям падать на черную дыру. Далее, представим себе еще одного наблюдателя на ракете с выключенным двигателем, который свободно падает к черной дыре. По мере падения он проносится мимо не­подвижных наблюдателей со всевозрастающей скоро­стью. При падении к черной дыре с большого расстоя­ния эта скорость равняется второй космической скоро­сти. Скорость падения стремится к световой, когда па­дающее тело приближается к гравитационному радиусу. Ясно, что темп течения времени на свободно падающей ракете с ростом скорости уменьшается. Это уменьшение настолько сильное, что бесконечный промежуток време­ни, который требуется с точки зрения далекого и непод­вижного наблюдателя для того, чтобы достичь сферы Шварцшильда, соответствует конечному промежутку по часам падающего наблюдателя (рис. 1). Таким образом бесконечное время одного наблюдателя равно конечно­му промежутку времени другого. Что может быть более наглядным примером относительности временной протя­женности?

Продолжительность падения тела в черную дыру

Продолжительность падения тела в черную дыру

Итак, по часам, расположенным на сжимающейся звезде, она за конечное время сжимается до размеров гравитационного радиуса и будет продолжать сжимать­ся дальше к еще меньшим размерам. Но далекий внеш­ний наблюдатель этих последних этапов эволюции, как мы помним, никогда не увидит. Что будет видеть наб­людатель на сжимающейся звезде после ухода под сфе­ру Шварцшильда? Что будет со звездой?

Отложим на некоторое время эти вопросы, а сейчас вернемся к внешнему полю черной дыры и посмотрим, как в этом сверхсильном поле движутся тела и распро­страняются лучи света.