Якщо фотони не мають маси, то чому чорні дірки їх притягують?
Дуже часто нам надходить те саме питання:
Як гравітація чорних дірок може впливати на світло/фотони, якщо вони не мають маси?
Це дуже хороше питання, тому що воно надає можливість детальніше розповісти про те, що таке гравітація, як працює теорія відносності і як влаштований наш простір-час.
Чорні дірки й справді заломлюють світло, що проходить поруч із ними. Цей ефект називають гравітаційним лінзуванням, він був відкритий досить давно і притаманний не тільки чорним дірам, але й будь-яким іншим масивним тілам. На чорних дірах він просто найкраще видно.
Джерело: oneminuteastronomer.com
Більшість людей вважають так: фотони не мають маси, отже, за законом всесвітнього тяжіння, на них не повинна діяти гравітація. Правильно ж?
Однак, це правильно лише з погляду ньютонівської гравітації, яка хоч і підходить для звичайних розрахунків, але абсолютно не дає розуміння, що являє собою гравітація.
Закон всесвітнього тяжіння Ньютона є емпіричним, він дає просту формулу, за якою можна розрахувати силу тяжіння між масивними об’єктами, але не пояснює, звідки ця сила береться.
Коли йдеться про природу гравітації та її особливі властивості нам на допомогу приходить загальна теорія відносності (ЗТВ). Ейнштейн описав гравітацію як викривлення простору-часу, і саме в результаті цього тіла притягуються одне до одного.
Будь-яке тіло, що має масу, прогинає під собою тканину простору-часу й утворює так звану гравітаційну криницю.
Джерело: askamathematician.com
Зазвичай це ілюструють за допомогою аналогії як на розміщеному вище фото: масивна металева куля в центрі суттєво викривляє під собою двовимірну тканину простору, а викривлення тканини під кулею викликає менше викривлення навколо нього. Завдяки розміченій на тканині наперед сітці добре видно як викривляються прямі траєкторії поблизу потужного тіла.
Чим масивнішим буде об’єкт, тим глибшим буде його гравітаційний колодязь, а чим щільнішим об’єкт, тим крутішими будуть стінки колодязя. Гравітаційний колодязь чорної діри взагалі буде нескінченно глибоким.
У просторі фотони завжди рухаються прямо, проте, коли вони пролітають через гравітаційний колодязь, то, з точки зору зовнішнього спостерігача, їх траєкторія викривляється так, як викривлялися прямі на тканині поряд з металевою кулею.
Таким чином, для зовнішнього спостерігача траєкторія фотона поблизу чорної діри виглядає викривленою, але, з погляду самого фотона, він завжди рухається прямо, просто на його шляху викривляється сам простір. Коли фотон потрапляє під горизонт подій чорної діри, то простір стає настільки кривим, що траєкторія фотона через нього стає нескінченно довгою. Спроба фотона вилетіти з-під горизонту подій стає схожою на спробу добігти до кінця надзвичайно швидкої бігової доріжки.
