Скорость света не константа? Чёрные дыры и мюоны

Космос, Физика

Почему свет не может вырваться из черной дыры. У меня был такой яркий инсайт, как это наконец объяснить интуитивно-понятно, но как только я все нарисовала — у меня теперь не сходится, и поэтому мне нужна ваша помощь — кто-то мне сможет это объяснить?!?

В общем, смотрите. Вблизи массивного тела, там, где гравитация высокая, время замедляется. Это проверенный факт. На Земле время идет медленнее, чем на часах GPS. Таким образом, если свет со звезды подходит к массивному объекту, например, к Солнцу, у него начинает замедляться время. Не для него — не для света, конечно, — а для нас, для стороннего наблюдателя.

И таким образом получается, что он наматывает большее расстояние за меньшее время. Ну то есть секунда же растягивается.

Есть такая штука — гравитационное линзирование. Это реальная вещь. Это не алгбра и геометрия, это то, что мы наблюдаем.

Если, например, ночью мы видим звезду в определенном месте на небе, то днем, когда между Землей и звездой появляется Солнце, мы эту звезду видим в другом месте (сильно справа от первоначальной позиции и от Солнца). Это было проверено во время солнечного затмения. Мы смогли это засечь.

Почему здесь? Вот смотрите. Идет от звезды луч, попадает в гравитационное поле Солнца и сгибается в сторону Земли (огибает Солнце справа). Но так как мы предполагаем, что лучи прямые, мы продолжаем эту касательную и получаем звезду в новой точке.

Бегущий койот

Моя интуитивно понятная иллюстрация состоит в следующем.

Вот знаете, как в мультиках бегут на одном месте (прежде чем дать рывок вперед). Представьте, что вы точно так же бежите, но на ковровой дорожке, которая под вами поползла. То есть вы вроде бежите с той же скоростью, как надо, но остаетесь на месте, потому что дорожка сзади вас горбом выгибается.

И если этот горб представить как окружность, которую соединяем с касательной, то вот и получается, что ваш путь загибается. Обычный бегущий койот у нас в одну секунду преодолевает 2 метра. Но если секунда, — сама секунда (!) — становится длиннее, растягивается, то в нее влезает большее количество метров.

Потом я подумала — нет, это не годится, потому что скорость света должна оставаться постоянной. А это значит, что туда должны входить все те же триста тысяч километров в секунду.

Таким образом, мы приходим к тому, что если время растягивается, то внутри этого времени расстояния тоже растягиваются, и тогда вы мне скажете: «Это и есть искривление времени и пространства!»

Но не все так просто! Следите за руками.

Сначала про черные дыры, причем два взгляда: мой интуитивный и общепринятый.

Cпагеттификация

Есть такая штука у Стивена Хокинга — называется спагеттификация. Если астронавт попадает в область действия черной дыры, он вытягивается внутрь. То есть мы со стороны видим, как он бесконечно вытягивается и проваливается внутрь. Ну, потому что для него и время вытягивается, и, соответственно, расстояние от макушки до пяток тоже растягивается.

UPD: Оказалось, что это не визуальный эффект! (Спасибо @TheFastBrain за наводку). Спагеттификация — это самый что ни на есть реальный процесс разрывания астронавта на части из-за чудовищной разницы в гравитационном притяжении между головой и ногами! Но геометрически это ничего не меняет, только добавляет взрыва мозгу.

Для меня более понятно это по-другому представлять, то есть свет от далекой звезды попадает в область действия черной дыры. И вокруг черной дыры для него настолько удлиняется эта секунда, что он просто начинает круги наматывать вокруг черной дыры, потому что эта секунда не кончается! Понимаете? То есть он не может вырваться за пределы этой секунды. И когда нам показывают изображение черной дыры, вот то, что в «Интерстелларе» было показано (это математически-рассчитанная 3D модель.) — мы видим, что свет действительно вращается по горизонту событий.

UPD: Извините, вращается аккреционный диск, который состоит из газа и звездной пыли той несчастной звезды, которую черная дыра начала засасывать. Однако! Насчет света я права — фотоны могут трижды обернуться вокруг черной дыры прежде чем ускользнуть к нам, чтобы мы могли это великолепие увидеть! Отдельное видео про это будет.

И вот тут долгожданный финт ушами: мюоны!

Мюоны

Есть такие микрочастицы — называются мюоны.

Они появляются в результате столкновения частичек в нашей атмосфере с космическими лучами. Так вот, время жизни этих мюонов 2,2 микросекунды. Они появляются на границе с атмосферой Земли. Бьет космический луч в атмосферу Земли, на поверхности появляется мюон, и он живет 2,2 микросекунды.

Мюоны летят в сторону земли со скоростью, близкой к скорости света, но они должны испытывать распад где-то через 600 метров после того, как проникли в атмосферу. То есть, они должны 600 метров пролететь и распасться.

Но вместо этого они мало того, что долетают до земли, — им для этого нужно реально 20 жизней! — так они еще и землю пробивают внутрь на пару километров.

Что за ерунда?

В дело вступает теория относительности.

Для мюона высота атмосферы, то есть — расстояние, которое он должен пройти, — сокращается, потому что он летит со скоростью света. И даже есть расчеты, что если для нас мюон проходит 2 км, то для самого мюона (внутри его системы отсчета) он проходит 0,6 км.

И теперь, внимание, вопрос.

Именно как для наблюдателя, для нас, он что, действительно проходит бОльшее расстояние за меньшее время?!?

Вы понимаете? У него больше этих километров помещается в секунду!

И это же то, что происходит объективно. То есть мы ловим эти мюоны на Земле, и отсюда вот я прихожу к выводу, что все-таки мое прозрение с бегущим койотом верное было! То, что не для фотона, не для мюона, а именно для стороннего наблюдателя, для нас, получается, что свет наматывает большее количество километров в секунду, когда попадает в поле гравитации какого-то массивного объекта.

И что действительно, вот это расстояние именно — оно не растягивается! Оно вот таким вот горбом-то и вылезает! И поэтому фотон начинает наматывать круги. Ну как будто этот горб становится уже бесконечным и замыкается в кольцо. Потому что он уже не влезает в эту секунду.

Таким образом КАК тогда скорость света остается той же?!?

Ведь получается, что у него больше километров в секунду.

Эффект Шапиро

Я оказалась права в своих вопросах. Эксперименты показали, что свет действительно замедляется, когда огибает Солнце. С перспективы Земли, оказывается, в специальной теории относительности, скорость света постоянна для локальных наблюдателей.

То есть если в каждой точке поставить наблюдателя, то свет мимо него будет проходить с постоянной скоростью.

Но с перспективы Земли он будет замедляться.

(Видео смотреть ближе к концу)

Видите, происходит этот red shift и blue shift (красное и голубое смещение, эффект Допплера).

Эффект называется «Задержка времени Шапиро».

А для локальных наблюдателей скорость света нормальная, потому что они сами находятся вблизи Солнца, и у них часы медленнее идут.

Скорость света не постоянна — это и есть сердце теории относительности Эйнштейна

Мне всё кажется, я недостаточно понятно выразилась. Нас учат тому, что скорость света постоянна, и что растяжение времени и растяжение пространства призваны сохранить скорость света постоянной.

Но это так не работает. Получается всё равно — скорость света постоянна только для моего тайм-фрейма.

То есть, если, например, я еду верхом на фотоне, включаю фонарик, я все равно буду видеть, как свет распространяется из фонарика, но для стороннего наблюдателя это будет двойная скорость света, потому что иначе бы мюоны никогда не достигали Земли!

И это как раз и есть теория относительности Эйнштейна, потому что Шапиро-то как раз хотел доказать, что Эйнштейн был не прав, а доказал, что прав. То есть это именно заложено в теорию относительности. А мы все это неправильно понимаем.