Течение времени и черные дыры

Теория тяготения Эйнштейна неразрывно связывает геометрические свойства пространства и течение времени с силами тяготения. В сильном поле тяготения пространство искривляется. В этом случае необходимо применять геометрию Лобачевского и Больяи, а не Евклида.

Риман описывал искривление не только трехмерного пространства, но и четырехмерного и вообще с любым числом измерений. Пространство воздействует на материю, указывая ей, как двигаться, а материя своим тяготением, в свою очередь, показывает, как пространству искривляться.

В настоящее время доказано, что мы живем в едином четырехмерном пространстве-времени.

Действительно, если изучается не только положение тел, но и процессы, происходящие в пространстве, то необходимо включить, кроме пространственных координат, еще и время.

В отличие от пространства, в котором три измерения, в слабых гравитационных полях время одномерно и течет в одном направлении.

По теории Минковского существует единая сущность - четырехмерное пространство-время.

Следовательно, пространственные расстояния можно вычислить измеряя время, и, наоборот, определять время, зная расстояние, пробегаемое светом.

Проявление единства пространства и времени заключается в том, что с увеличением скорости движения тела течение времени на нем замедляется в точном соответствии с уменьшением его продольных размеров в направлении движения.

Из теории следует, что время в сильном поле тяготения течет медленнее, чем в пространстве со слабым тяготением.

Так, на поверхности Земли время течет медленнее, чем в космическом пространстве, свободном от тяготеющих масс, всего на одну миллиардную часть.

Эксперименты подтвердили замедление времени в поле тяготения Земли.

Время на Солнце также течет медленнее, чем на Земле, и этот сдвиг по времени составляет всего две миллионные доли секунды.

Однако за все пятимиллиардное время их существования на Земле за это время прошло на 10 тысяч лет больше, чем на Солнце.

На нейтронных звездах время течет уже вдвое медленнее, чем на Земле.

В сильном же поле тяготения замедление времени намного больше и становится бесконечно большим, когда радиус тяготеющего тела приближается к гравитационному.

При этом все процессы различной природы замедляются для стороннего наблюдателя. Это и означает, что течение времени замедляется.

При таких условиях колебания электронов в атомах в сильном поле тяготения происходят замедленно и излученные кванты света (фотоны) от этих атомов приходят к наблюдателю с уменьшенной частотой, т.е. "покрасневшими".

Это явление называют гравитационным красным смещением.

Причем, чем ближе область излучения располагается к сфере Шварцшильда, тем больше замедление времени и тем больше покраснение излученных квантов света.

На самой границе черной дыры замедление времени становится бесконечно большим для внешнего наблюдателя.

Следует еще учесть, что на явление гравитационного красного смещения, вызванного сильным полем тяготения, будет налагаться явление покраснения света из-за эффекта Доплера, т.к. поверхность сжимающейся звезды постепенно удаляется от наблюдателя.

Поэтому совместное действие этих явлений приводит к тому, что с приближением поверхности звезды к сфере Шварцшильда внешний наблюдатель воспринимает приходящий свет от такой звезды все более покрасневшим и все меньшей интенсивности и, наконец, звезда становится невидимой.

Далекий внешний наблюдатель никогда не увидит того, что произойдет со звездой после ее сжатия до размеров меньше гравитационного радиуса.

Если для внешнего наблюдателя, по мере приближения поверхности сжимающейся звезды к гравитационному радиусу, время растягивается до бесконечности, то по часам на самой звезде это произойдет за малый промежуток времени.

Например, для звезды с массой, равной солнечной, это время равно всего стотысячной доле секунды.

В релятивисткой теории тяготения гравитационный захват - явление захвата прилетающей из бесконечности частицы или другого тела, тяготеющим центром: более массивным телом, например, черной дырой.

В теории тяготения Ньютона чисто гравитационный захват одним телом другого невозможен. Частица (тело), прилетающая из бесконечности, имеет отрицательную полную энергию, движется относительно тяготеющего центра по параболе или гиперболе и снова улетает в бесконечность. Если же скорость тела меньше второй космической скорости, то оно будет двигаться по замкнутой кривой, т.е. по эллипсу.

По теории Эйнштейна в таком случае траектория движения тела не эллипс, и оно движется по незамкнутой траектории, то приближаясь к черной дыре, то удаляясь от нее.

В случае достаточно удаленной от черной дыры траектории тела она представляет собой медленно поворачивающийся в пространстве эллипс (рис. 10.5).

Такой поворот эллиптической орбиты был обнаружен у Меркурия и составил за столетие»43 угловых секунды.

Кроме того, движение по круговой траектории по классической теории возможно на любом расстоянии от тяготеющего центра

. По теории Эйнштейна это происходит иначе. Чем ближе тело к тяготеющему центру, тем больше его скорость обращения.

На окружности, удаленной на полтора гравитационных радиуса от черной дыры, скорость обращения тела достигнет скорости света в вакууме.

Однако на расстояниях меньше трех гравитационных радиусов движение тела по окружности неустойчиво, если скорость его составляет половину скорости света..

Незначительное возмущение заставит вращающееся тело уйти с орбиты: оно либо улетит в космическое пространство, либо упадет в черную дыру.

Если тело вдали от черной дыры имеет скорость много меньше световой и его орбита пролегает близко к окружности с радиусом, равным двум гравитационным, то оно облетит вокруг черной дыры несколько раз, прежде чем снова улетит в космос (рис. 10.6).

Если же траектория тела подойдет вплотную к окружности двух гравитационных радиусов, то тело окажется захваченным черной дырой (рис. 10.7).

Если траектория тела подойдет еще ближе к черной дыре, то оно неизбежно упадет в черную дыру. Тело, имеющее вторую космическую скорость или больше, навсегда улетит от черной дыры.

Чтобы тело могло вырваться из окрестности черной дыры, недостаточно иметь скорость больше второй космической скорости, нужно еще, чтобы направление вектора скорости составляло с направлением на черную дыру угол больше некоторого критического значения.

При движении тел в поле тяготения черной дыры должны излучаться гравитационные волны.

Согласно теории Эйнштейна передача гравитационного взаимодействия происходит со скоростью света (однако по современным данным гравитационное взаимодействие осуществляется со скоростью на пять порядков больше, чем скорость света).

Хотя гравитационные волны пока не обнаружены, однако некоторые астрономические наблюдения указывают на то, что гравитационные волны излучаются при возмущениях достаточно сильных гравитационных полей и при движениях, особенно массивных космических тел.

За все время движения тела вокруг черной дыры излучается энергии в виде гравитационных волн в шесть раз больше, чем при термоядерных реакциях.

Обнаружение и практическое применение гравитационных волн осложнено тем, что они крайне слабо взаимодействуют с веществом.

В случае падения на черную дыру света, поле тяготения ее будет изменять частоту падающих фотонов, и искривлять траекторию лучей (рис. 10.8). Как показывают расчеты, существует критический радиус окружности равный полутора гравитационным радиусам, когда фотон может двигаться вокруг черной дыры.

Но это движение неустойчиво и малейшее возмущение приведет к тому, что фотон либо улетит в космос, либо упадет в черную дыру.

До сих пор рассматривались черные дыры, возникающие при сжатии сферических тел, которые обладают сферически симметричным полем тяготения. Если же сжимается не сферическое тело, то в результате гравитационного коллапса возникает совершенно симметричная черная дыра со сферически симметричным внешним полем тяготения, а все лишнее излучается в виде гравитационных волн. Размеры черных дыр ничем не ограничены.

Если сжимающееся тело до коллапса имело, кроме гравитационного поля, еще и другие поля: электрическое, магнитное и т.д., то в процессе гравитационного коллапса будут излучены или погребены в возникающей черной дыре все виды физических полей за исключением гравитационного и электрического. Если до коллапса тело еще и вращалось, то это приводит к возникновению вращающейся черной дыры с вихревым гравитационным полем.

Вихревое поле тяготения черной дыры определяется моментом импульса, который для обычной звезды равен произведению величины скорости вращения на экваторе, радиуса звезды и массы.

В результате коллапса возникает черная дыра с вихревым полем тяготения. Из-за вращения черная дыра будет несколько сплюснута у полюсов. При наличии вращения сила тяготения обращается в бесконечность не на сфере Шварцшильда (как говорят "на горизонте " черной дыры), а вне горизонта, на поверхности, которую называют эргосферой (рис. 10.9).

Пространство между пределом статичности и горизонтом черной дыры, называют эргосферой.

Поверхность эргосферы отстоит от границы черной дыры тем дальше, чем быстрее ее вращение.

При круговом движении тела вокруг черной дыры в том же направлении, что и направление ее вращения, сила тяготения на границе эргосферы и внутри эргосферы оказывается конечной. В этом статическом случае тело будет вращаться по окружности, не падая в черную дыру, т.е. все тела под границей эргосферы вовлекаются во вращательное движение вокруг черной дыры.

При этом они могут приближаться к черной дыре и удаляться от нее, могут пересекать эргосферу, двигаясь внутрь и наружу.

Если же тело продолжает приближаться к черной дыре, то оно вскоре достигнет границы черной дыры - ее горизонта. На этой поверхности и под ней тела (свет и любые частицы) могут падать только внутрь черной дыры. Здесь движение наружу невозможно и никакая информация не может выйти наружу из-под этого горизонта - границы черной дыры.

В области эргосфере тела могут двигаться с разными угловыми скоростями, но на горизонте они будут иметь одинаковую угловую скорость независимо от того, в какое место поверхности горизонта ни попало бы падающее тело. Вращение черной дыры не может быть сколь угодно большим, потому что она не сможет возникнуть, если тело вращалось слишком быстро.

При сжатии быстро вращающегося тела на экваторе возникают центробежные силы препятствующие его сжатию в плоскости экватора и тело может сжиматься только вдоль полюсов. Но тогда оно превращается в "блин" радиусом, много большим гравитационного и никакой черной дыры не возникнет.

Вращение черной дыры будет максимальным, когда скорость вращения точек ее экватора будет равна скорости света.

Она будет легче захватывать частицы, летящие вблизи ее в сторону, противоположную вращению, и труднее для частицы, движущейся в сторону вращения черной дыры.

В случае обращения тела по круговой орбите вокруг максимально быстро вращающейся черной дыры, будет излучаться в виде гравитационных волн в семь раз больше энергии, чем при вращении тела вокруг не вращающейся черной дыры.

Когда говорят о черной дыре, то прежде всего отмечают, что она поглощает почти все падающие на нее тела и излучение, и ни что не может вырваться из недр черной дыры, даже свет. Это не совсем так.

Ранее отмечалось, что при вращении тела вокруг черной дыры излучаются гравитационные волны, унося с собой энергию.

Более того, само тело и часть энергии гравитационных волн падает в черную дыру, тем самым, увеличивая ее массу, а значит, и энергию.

Однако часть энергии (массы) вращающейся черной дыры, связанная с вращением, находится, по сути, вне черной дыры и заключена в вихревой компоненте ее гравитационного поля. Вот эту энергии и можно отнять у черной дыры, уменьшая ее массу.

Максимальное количество вращательной энергии черной дыры может унести ракета, когда ее двигатели включаются у самого горизонта черной дыры. При этом площадь горизонта не меняется.

Согласно теории площадь горизонта черной дыры, никогда не уменьшается ни в каких процессах, а сама черная дыра не может разделиться, например, на две черные дыры, а сливаться черные дыры в одну могут, при этом площадь ее горизонта будет больше суммы площадей горизонтов сливающихся черных дыр.

Таким образом, рассматривая процессы, протекающие в окрестности черной дыры, и способы извлечения из нее энергии, видим, что эту энергию можно извлечь либо в форме излучения гравитационных волн, либо в виде кинетической энергии тел, выбрасываемых из эргосферы вращающейся черной дыры.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: