10.9.2. 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.