С тех пор, как в эксперименте LIGO впервые напрямую обнаружили гравитационные волны, испущенные сливающимися чёрными дырами, учёные возобновили свой интерес в изучении этих объектов. При помощи новых данных, новых техник и нового способа изучения Вселенной мы можем стоять на пороге целой плеяды новых открытий, ставших теперь возможными. Одно из фундаментальных свойств чёрной дыры, конечно же, состоит в том, что ничто не может покинуть горизонт событий изнутри, поскольку скорость убегания превышает скорость света. Но, возможно, это ограничение можно обойти? Читатель хочет знать, есть ли у нас способ заглянуть внутрь чёрной дыры:
Если искажение пространства-времени может повысить скорость света, возможно ли, чтобы проходящая через горизонт событий гравитационная волна дала нам способ понаблюдать за содержимым чёрной дыры, немного ускорив с?
Давайте посмотрим на физику этого процесса и выясним!
Вы наверняка слышали, что скорость света в вакууме, универсальная постоянная с, это константа. В специальной теории относительности это строгая истина. Если ваше пространство абсолютно плоское, это ограничение не обойти. Теоретически можно расставить бесконечное число неподвижных наблюдателей на одинаковых расстояниях друг от друга. Когда мимо них двигается световая волна, то количество времени, требуемое на то, чтобы каждый следующий наблюдатель увидел световой сигнал, будет одинаковым. Свету на прохождение от 1-го наблюдателя до 2-го требуется ровно столько же времени, сколько от 2-го до 3-го, от 3 до 4, от 99 до 100. Никаких разночтений, двусмысленностей, все довольны.
Но если позволить пространству-времени искривляться, то всё станет гораздо сложнее – в этом и заключается большая разница между специальной и общей теорией относительности. Если вы расставите бесконечное количество тех же самых покоящихся наблюдателей на одинаковых расстояниях друг от друга, они начнут спорить между собой. Не по поводу каких-то личных разногласий, но по поводу расхождений в их наблюдениях, касающихся значений слов «фиксированное расстояние» и «покой». Когда световой сигнал будет проходить мимо них, все они определят его скорость, равной с, как и ожидалось – но они не могут согласиться друг с другом по поводу того, что происходит в других местах, не в тех, где они стоят. Не существует общего стандарта линеек и часов, одинаково применимых ко всем наблюдателям, если позволить пространству искривляться.
Часы на вершине башни комплекса Абрадж аль-Бейт идут на несколько квадриллионных долей секунды быстрее, чем часы у её подножия из-за различий гравитационного поля.
По этой же причине, если вы разместите атомные часы у подножия здания, а другие такие же часы – на его верхушке, вы увидите, что они идут с немного разной скоростью. Это не значит, что часы неправильные – просто ненулевая кривизна пространства приводит к тому, что разные наблюдатели не соглашаются друг с другом по поводу точности измерения времени в любом месте, кроме того, где они находятся.
Когда световой сигнал проходит через участок искривлённого пространства, удалённый наблюдатель может посчитать, что сигнал движется быстрее или медленнее с, в зависимости от того, насколько искривлён участок наблюдения по сравнению с участком наблюдателя. Но двигается ли что-нибудь быстрее или медленнее с? Нет, мы просто часто не можем измерять скорость чего-либо в любом другом месте, кроме нашего местонахождения. Эйнштейн отметил это в своей книге от 1920 года, «Относительность: специальная и общая теория», где сказано, в переводе с немецкого:
Согласно общей теории относительности, закон постоянства скорости света в вакууме, представляющий одно из двух фундаментальных предположений специальной теории относительности, не может быть неограниченно достоверным. Искривление лучей света может произойти только тогда, когда скорость распространения света меняется от одного места к другому.
А что насчёт прохождения гравитационной волны? Оказывается, она будет воздействовать на всё пространство, через которое проходит. Гравитационные волны сжимают пространство в одном направлении, одновременно растягивая его в перпендикулярном, в режиме колебаний – именно этим и воспользовался эксперимент LIGO для обнаружения волн – поэтому они будут сжимать и растягивать горизонт событий чёрной дыры.
Энергия волны, проходящей внутри горизонта событий ЧД, будет поглощена чёрной дырой. Точно так же, как любой падающий в ЧД свет добавит ей массы (энергия преобразуется в массу согласно менее известной форме знаменитого уравнения Эйнштейна, m = E / c2), так же будет и с гравитационным излучением. Но непоглощённые волны могут исказить пространство, а искривлённое пространство и изменения, происходящие в нём, однозначно повлияют на время прохождения света. В гравитационных волнах частицы воспринимают время по-другому; пространство выглядит длиннее или короче, в зависимости от физики проходящих волн; формы физических объектов и нефизических геометрических конструкций искажаются.
Но это вовсе не означает, что пространство, бывшее внутри горизонта событий, может оказаться снаружи. Частица изнутри никак не сможет выбраться наружу. Ни в какой момент никто не сможет получить информацию о происходящем внутри горизонта событий, находясь снаружи него. Скорость убегания на горизонте событий так и останется равной с, и то, что вы можете назвать «изменением скорости света» для внешнего наблюдателя (неспособного измерять скорости в любом другом месте, кроме собственного), точнее можно описать, как искажение кривизны пространства.
Пространство внутри горизонта событий может расширяться и/или сжиматься при прохождении гравитационной волны, но лучшее, на что можно надеяться – это на фотон, который при прочих условиях мог бы упасть в дыру, но из-за волны смог не попасть туда. Гравитационные волны не меняют фундаментальной и неизбежной природы ЧД: ничто, что попало внутрь, не сможет выбраться.
Источник
