В. Березин - Есть ли жизнь внутри черных дыр?

Как происходит движение тел в искривленном пространстве- времени? Рассмотрим сначала свободное тело. В плоском пространстве в инерциальной системе отсчета оно бы двигалось по прямой линии с постоянной скоростью. Оказывается, что в искривленном пространстве-времени роль прямых линий играют кратчайшие отрезки пути. Например, на поверхности шара это участки большого круга. И вот по этим кратчайшим путям и стремятся двигаться свободные тела.

Кратчайший путь из точки A в точку B проходит по геодезической

Во времена Ньютона считалось, что тела посредством силы всемирного тяготения мгновенно действуют друг на друга на расстоянии без каких-либо материальных посредников. Сейчас установлено, что все взаимодействия передаются посредством полей, распространяющихся со скоростью света. Если, например, на Солнце произойдет вспышка, то мы узнаем об этом только через восемь минут, за которые свет долетит от Солнца до Земли и подействует на наши глаза или на измерительные приборы. Свет – это электромагнитное поле. Поле существует независимо от зарядов и токов, которыми оно порождено. Гравитационное поле является полем особого типа. Это не просто поле, а искривление пространства-времени. Движение свободного тела в искривленном пространстве-времени выглядит так, словно на него действует сила, являющаяся силой всемирного тяготения. А на самом деле тело просто выбирает кратчайший путь в пространстве-времени.

Планеты являются свободными телами, движущимися вокруг Солнца. Хотя с нашей трехмерной точки зрения их орбиты выглядят искривленными, в 4-мерном пространстве-времени траектории планет – это кратчайшие пути и самые прямые из возможных линий. Такие кратчайшие линии в искривленном пространстве времени (вместе с линиями максимальной длины) называются геодезическими. Свободные тела движутся по геодезическим. Если на тело действует, например, электромагнитная сила, или если включен ракетный двигатель, то тело сходит с геодезической, и его путь в пространстве времени будет уже не кратчайшим.

Пространство-время может искривиться так сильно, что образуется черная дыра или даже трубка или тоннель – кротовая нора, через который можно попасть в далекую область Вселенной, но об этом мы поговорим позже.

Само название Общая теория относительности возникло из-за того, что в этой теории допустимы преобразования координат общего вида. В Общей теории относительности для математического описания явлений не обязательно использовать инерциальные системы отсчета, а можно применять любые произвольно движущиеся системы отсчета и любые «кривые» координаты, лишь бы они были достаточно гладкими.

Большую роль в создании Общей теории относительности сыграл принцип эквивалентности, согласно которому однородное гравитационное поле эквивалентно ускорению. Расскажем подробнее, что это значит.

Понятие скорости, наверняка, вам хорошо известно. Это расстояние, пройденное за единицу времени. Например, число километров, проходимое автомобилем за один час, показывает его среднюю скорость в «километрах в час». На промежуточных участках пути движение может происходить равномерно с постоянной скоростью, когда за одинаковые интервалы времени тело проходит равные расстояния. Но прежде, чем двигаться равномерно, автомобиль разгоняется, его скорость возрастает. Если скорость изменяется, то говорят, что тело ускоряется или замедляется. Разгоняющееся ускоренное тело перемещается не равномерно, а все быстрее и быстрее. За каждый следующий интервал времени оно проходит больший путь, чем за предыдущий. Например, за первую секунду оно проходит один метр, за вторую – четыре метра, и затем все больше и больше. Либо, наоборот, тело замедляется, то есть имеет отрицательное ускорение. Также ускоренным может быть движение с постоянной по величине скоростью, но по искривленной траектории. Например, при движении тела с постоянной скоростью по окружности, тело имеет ускорение по направлению к центру окружности.

Ускорение эквивалентно гравитации. Поле тяготения в ускоряющемся лифте неотличимо от поля тяготения Земли.

Классическая иллюстрация принципа эквивалентности – это лифт. Рассмотрим две ситуации. В первом случае вы находитесь в неподвижном лифте в поле тяготения Земли. Во втором случае вы далеко от Земли и других массивных тел – в далеком космосе. Но при этом вы стоите в равномерно ускоряющемся лифте или в разгоняющейся ракете. Если ускорение плавное без тряски и вибрации, то в закрытом лифте вы не сможете различить эти два случая. Пол лифта будет одинаковым образом давить снизу на ваши ноги. Таким образом, ускорение может имитировать гравитационное поле. Эйнштейн же сделал вывод, что это не просто имитация, а что гравитационное поле и ускорение – это одно и то же!

Как же так, спросите вы, ведь вдоль поверхности Земли нет никаких ускоряющихся лифтов. Как же поле Земли и лифт могут быть одним и тем же? Не будь поверхности Земли, мы падали бы к центру Земли с ускорением. Это было бы свободное падение, и мы испытывали бы невесомость. Но поверхность давит нам на ноги, создавая ускорение в обратном направлении. В результате, мы стоим неподвижно относительно поверхности Земли. Вот это ускорение, которое мы получаем от поверхности, и является эквивалентом гравитационного поля. Если вспомнить про искривленное пространство-время, то можно сделать вывод, что поверхность все время сталкивает нас с траектории свободного движения, мы движемся не по геодезической пространства-времени. Хотя относительно поверхности Земли мы неподвижны, относительно свободно падающей системы отсчета мы движемся ускоренно, словно в непрерывно ускоряющемся лифте.

Ускорение может не только создать, но и уничтожить или скомпенсировать гравитационное поле массивного тела. Свободно падая в гравитационном поле, мы будем ощущать невесомость, отсутствие веса. При этом мы движемся ускоренно по отношению к неподвижно расположенным на поверхности Земли телам. Это значит, что в закрытом лифте или в ракете без иллюминаторов мы не имеем возможности определить, падаем ли мы в гравитационном поле или просто свободно парим в пространстве вдали от источников тяготения.

Окружающие нас тела падают в гравитационном поле с одним и тем же ускорением, из-за чего при падении и возникает ощущение невесомости. Например, голова и рука падают одинаково, поэтому никакая часть тела не давит на другую, а это и есть невесомость. Независимость ускорения свободного падения от массы и химического состава тела установил Галилео Галилей, сбрасывая разные предметы с наклонной Пизанской башни. Сейчас принцип эквивалентности проверен в эксперименте с высочайшей точностью. С точки зрения ньютоновской теории, принцип эквивалентности формулируется как равенство инертной и гравитационной масс. Масса, входящая во 2-й закон Ньютона, и масса, входящая в силу тяготения, – это одна и та же масса. Поэтому все тела падают с одинаковыми ускорениями. Эквивалентность гравитации и ускорения относится не только к механическим движениями тел, но и вообще ко всем физическим явлениям. Это более сильная формулировка принципа эквивалентности, и пока на опыте не было замечено никаких его нарушений.