Почему свет не может выбраться из чёрной дыры?

[Ринат]

Всем добрый день.
Сразу скажу, что любую теорию надо стараться не опровергать, а дополнять. Что такое НЕВЕРНАЯ ТЕОРИЯ? Это теория, по законам которой все рассматриваемые системы работать правильно не могут, а как известно, в нашем мире множество систем, которые очень даже правильно подчиняются законам СТО и ОТО. Также было и с Ньютоновской механикой. Все макротела отлично подчинялись ей и никто даже и не подозревал, что где-то будет подвох... до поры, до времени, пока не был открыт электрон, пока не был исследован космос, орбита Меркурия (где механика Ньютона явно не могла объяснить, почему же плоскость эллиптической орбиты поворачивается на определенный угол). Вот тогда появилась необходимость ДОПОЛНИТЬ ТЕОРИЮ! Но не опровергнуть! Зачем опровергать теорию, если она успешно работает для ограниченного класса систем? Дополняйте!
Лично я в СТО не могу понять следующего: почему масса фотона (скорость которого, как все знают, равна скорости света) не бесконечна, как этого следовало бы ожидать из СТО или ОТО? Некоторые могут возразить: да потому,что фотоны не имеют массы покоя. Хорошо, массу покоя всегда можно обнородовать. Что есть масса? Это есть некоторая количественная характеристика ЭНЕРГИИ. Есть масса - есть энергия, нет энергии - нет и массы, следовательно если нет массы покоя, нет и энергии покоя. Но фотон - это частица, обладающая энергией, "остановить" фотон - вовсе не уничтожить его массу, а трансформировать ее в энергию (других частиц). Парадокс: почему "хранители" этого закона не подчиняются ему же? Формулу Эйнштейна, предполагаю, можно дополнить. Почему? Вспомним устройство черных дыр. До горизонта событий вещество втягиваеться в дыру обычным образом, с определенным ускорением. После пересечения горизонта события скорость падения должна стать равной скорости света (ибо известно, что даже свет не может вырваться из ее объятий). Не будем касаться приливных сил черной дыры, так как вещество лишь распадается на отдельные частицы, в сумме дающий опять таки вещество. Что же происходит? Как же черная дыра смогла разогнать вещество до такой скорости, если по СТО (ОТО) этого сделать "не возможно"? Значти что-то одно не верно, либо устройство дыр не совсем правильно, либо формула Эйнштейна должна иметь другой вид при скоростях РАНВЫХ скоростям света.
Современная Теория струн (суперструн) предполагает скорости, большие скорости света, даже есть предположение о частицах, обладающими скоростями в два раза превышающими скорость света. Теории...

[Someone]

В общем, с Вами можно согласиться, но никто и не выкидывает механику Ньютона на том основании, что она описывает не весь мир, а только некоторую его часть. Замечу только некоторые неточности.

Ринат писал(а):

орбита Меркурия (где механика Ньютона явно не могла объяснить, почему же плоскость эллиптической орбиты поворачивается на определенный угол).

Там речь идёт не о повороте плоскости орбиты. Суть проблемы в том, что перигелий Меркурия смещается немного быстрее, чем это следует из закона всемирного тяготения. ОТО эту разницу объясняет.

Ринат писал(а):

Лично я в СТО не могу понять следующего: почему масса фотона (скорость которого, как все знают, равна скорости света) не бесконечна, как этого следовало бы ожидать из СТО или ОТО? Некоторые могут возразить: да потому,что фотоны не имеют массы покоя.

Если мы считаем, что фотон "движется" со скоростью света, то его масса покоя обязана быть равной нулю именно для того, чтобы его энергия была конечной. На самом деле никто не видел покоящегося фотона. Но мне встречалась гипотеза, что масса покоя фотона не равна нулю, а просто имеет очень маленькую величину (что-нибудь порядка $10^{-60}$ г). Однако это означало бы определённое изменение электродинамики (уравнений Максвелла).

Ринат писал(а):

Парадокс: почему "хранители" этого закона не подчиняются ему же?

Этого я не понял.

Ринат писал(а):

Формулу Эйнштейна, предполагаю, можно дополнить. Почему? Вспомним устройство черных дыр. До горизонта событий вещество втягиваеться в дыру обычным образом, с определенным ускорением. После пересечения горизонта события скорость падения должна стать равной скорости света (ибо известно, что даже свет не может вырваться из ее объятий).

Это заблуждение. Скорость падающего тела остаётся меньше скорости света и на горизонте, и внутри чёрной дыры, куда оно попадёт после того, как, с точки зрения удалённого наблюдателя, пройдёт вечность (но за конечное и, притом, очень малое время по собственным часам). С точки зрения наблюдателя, падающего вместе с телом, момент прохождения горизонта ничем замечательным не выделяется (возможно, он перестанет наблюдать окружающую Вселенную, но я в этом не уверен).

Ринат писал(а):

Современная Теория струн (суперструн) предполагает скорости, большие скорости света, даже есть предположение о частицах, обладающими скоростями в два раза превышающими скорость света. Теории...

Про теорию суперструн ничего сказать не могу. Чисто формально существование частиц, всегда движущихся быстрее света (тахионов), СТО, как будто бы, не противоречит. Одно время эта тема была популярной в научных кругах, но потом всё заглохло. Видимо, ничего из этой идеи не вышло. Мне даже встречалось утверждение, что эксперименты с тахионами всегда можно интерпретировать так, что никаких тахионов не потребуется.

[Котофеич]

Про теорию суперструн ничего сказать не могу. Чисто формально существование частиц, всегда движущихся быстрее света (тахионов), СТО, как будто бы, не противоречит. Одно время эта тема была популярной в научных кругах, но потом всё заглохло. Видимо, ничего из этой идеи не вышло. Мне даже встречалось утверждение, что эксперименты с тахионами всегда можно интерпретировать так, что никаких тахионов не потребуется.
В теории суперструн никаких тахионных состояний нет. Тахионные состояния есть
только у бозонной струны.

[Ринат]

Someone писал(а):

но никто и не выкидывает механику Ньютона на том основании, что она описывает не весь мир, а только некоторую его часть

Да да... именно это я и имел в виду.

Someone писал(а):

Там речь идёт не о повороте плоскости орбиты. Суть проблемы в том, что перигелий Меркурия смещается немного быстрее, чем это следует из закона всемирного тяготения. ОТО эту разницу объясняет.

Спасибо за замечание, буду знать.

Someone писал(а):

Если мы считаем, что фотон "движется" со скоростью света, то его масса покоя обязана быть равной нулю именно для того, чтобы его энергия была конечной. На самом деле никто не видел покоящегося фотона. Но мне встречалась гипотеза, что масса покоя фотона не равна нулю, а просто имеет очень маленькую величину (что-нибудь порядка г).

Что ж, на лицо еще один парадокс. Для того, чтобы энергия фотона была конечной при скорости равной скорости света необходима его нулевая масса покоя (фактически это означало бы, что фотона НЕТ!), но по гипотезе масса у фотона все же есть, следовательно, сколь ни мала была бы его масса, знаменатель в формуле Эйнштейна все равно бы стремился к нулю, что дает бесконечную энергию! Странно, не так ли? И вообще, глупо просто опираться на теорию в таких делах и строить ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ, что мол масса покоя фотона ОБЯЗАНА быть равной нулю, иначе теория не работает.

Someone писал(а):

Это заблуждение. Скорость падающего тела остаётся меньше скорости света и на горизонте, и внутри чёрной дыры, куда оно попадёт после того, как, с точки зрения удалённого наблюдателя, пройдёт вечность (но за конечное и, притом, очень малое время по собственным часам). С точки зрения наблюдателя, падающего вместе с телом, момент прохождения горизонта ничем замечательным не выделяется (возможно, он перестанет наблюдать окружающую Вселенную, но я в этом не уверен).

Заблуждением это быть не может, если опираться на СТО (ОТО), так как в противном случае свет мог бы вырваться из поля притяжения черной дыры даже за горизонтом событий, чего быть не может (по крайней мере, так было сказано в теории), это во-первых. Во-вторых, представьте себе, что фотоны движутся противоположно силе притяжения черной дыры и допустим, что световой пучок уже попал за горизонт событий. Тогда можно предполагать, что скорость движения фотонов "падает" до нуля, что влечет за собой и уменьшение их массы (если опираться опять таки на теорию) до нуля. В таком случае гравитации просто не на что действовать, что же происходит тогда со световым пучком? Только не говорите мне про инерциальные системы отсчета и про то, что скорость светового пучка одинакова по отношению ко всем этим системам.

[Someone]

Ринат писал(а):

Что ж, на лицо еще один парадокс. Для того, чтобы энергия фотона была конечной при скорости равной скорости света необходима его нулевая масса покоя (фактически это означало бы, что фотона НЕТ!),

Нет, это просто означает, что нет покоящихся фотонов (или движущихся со скоростью, меньшей скорости света)

Ринат писал(а):

но по гипотезе масса у фотона все же есть, следовательно, сколь ни мала была бы его масса, знаменатель в формуле Эйнштейна все равно бы стремился к нулю, что дает бесконечную энергию!

Я же написал, что такое предположение требует изменения электродинамики. Фактически в этом случае скорость света будет меньше "скорости света" (!!!), и вдобавок будет зависеть от его частоты (чем больше частота, тем больше скорость). Это может привести к интересным астрономическим эффектам, которые, однако, не наблюдаются. Именно по этой причине и предлагалась столь малая масса фотона ($10^{-60}$ г).

Ринат писал(а):

Странно, не так ли? И вообще, глупо просто опираться на теорию в таких делах и строить ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ, что мол масса покоя фотона ОБЯЗАНА быть равной нулю, иначе теория не работает.

Нет, это не предположение. Из электродинамики следует, что масса фотона равна нулю. Другое дело, что можно попытаться построить другую электродинамику. Но для этого обычно требуется какой-то стимул, который в данном случае очень слаб, поскольку существующая электродинамика хорошо описывает то, что она должна описывать.

Ринат писал(а):

Заблуждением это быть не может, если опираться на СТО (ОТО), так как в противном случае свет мог бы вырваться из поля притяжения черной дыры даже за горизонтом событий, чего быть не может (по крайней мере, так было сказано в теории), это во-первых. Во-вторых, представьте себе, что фотоны движутся противоположно силе притяжения черной дыры и допустим, что световой пучок уже попал за горизонт событий. Тогда можно предполагать, что скорость движения фотонов "падает" до нуля, что влечет за собой и уменьшение их массы (если опираться опять таки на теорию) до нуля. В таком случае гравитации просто не на что действовать, что же происходит тогда со световым пучком? Только не говорите мне про инерциальные системы отсчета и про то, что скорость светового пучка одинакова по отношению ко всем этим системам.

Нет, Вы как раз не опираетесь ни на СТО, ни на ОТО.
С точки зрения наблюдателя, падающего в чёрную дыру, свет вокруг него распространяется совершенно нормально: во все стороны с одинаковыми скоростями. Причина того, что изнутри чёрной дыры нельзя выйти наружу, состоит в том, что там "все дороги ведут в Рим", то есть, вглубь чёрной дыры. Я не знаю, какое у Вас образование, но, если Вы этим интересуетесь, лучше почитать какую-нибудь толковую книгу по СТО и ОТО.

[Ринат]

На счет массы покоя. Вот последние данные (относящиеся, правда, к нейтрино, но, как известно, нейтрино тоже обладает нулевой массой покоя):

"Даже если нейтрино не имеют массы покоя и движутся со скоростью света, они все равно, подобно фотонам, обладают энергией, а значит, эквивалентной массой и участвуют в гравитационном взаимодействии. Суммарная энергия таких нейтрино слишком мала, чтобы повлиять на судьбу Вселенной, но формально утверждение о том, что безмассовые частицы не вызывают гравитационного притяжения, не совсем точно. В самые последние годы в нейтринной обсерватории Сэдбери в Канаде и на японском нейтринном детекторе KamLAND получены надежные данные о том, что нейтрино имеют хотя и очень небольшую, но отличную от нуля массу покоя."
Стивен Хокинг - "Кратчайшая история времени"

Someone писал(а):

Нет, Вы как раз не опираетесь ни на СТО, ни на ОТО.
С точки зрения наблюдателя, падающего в чёрную дыру, свет вокруг него распространяется совершенно нормально: во все стороны с одинаковыми скоростями. Причина того, что изнутри чёрной дыры нельзя выйти наружу, состоит в том, что там "все дороги ведут в Рим", то есть, вглубь чёрной дыры. Я не знаю, какое у Вас образование, но, если Вы этим интересуетесь, лучше почитать какую-нибудь толковую книгу по СТО и ОТО.

Специальизируюсь в сфере "Информатика и прикладаня математика", по профессии программист, интересуюсь всем, что имеет практический и теоретический интерес, порой не хватает времени перебрать все, поэтому прошу простить, если мои данные буду содержать ряд ошибок. Буду признателен за замечания.
Теперь насчет черной дыры. Что значит "просто нельзя выйти наружу, все дороги ведут вглубь"? Это не объяснение того факта, почему свет не может вырваться из поля ее притяжения. Нельзя вот так просто сказать, что "дождь капает вниз, потому что облака наверху".

[Someone]

Ринат писал(а):

На счет массы покоя. Вот последние данные (относящиеся, правда, к нейтрино, но, как известно, нейтрино тоже обладает нулевой массой покоя):

Приведённая Вами далее цитата как раз означает, что нейтрино обладает НЕнулевой массой покоя.

Ринат писал(а):

Теперь насчет черной дыры. Что значит "просто нельзя выйти наружу, все дороги ведут вглубь"? Это не объяснение того факта, почему свет не может вырваться из поля ее притяжения. Нельзя вот так просто сказать, что "дождь капает вниз, потому что облака наверху".

Постараюсь объяснить, как это выглядит. Давайте мы нарисуем картинку, изображающую пространство-время. Поскольку пространство-время четырёхмерно, оставим только одну пространственную координату, тогда можно рисовать на плоскости. Постранственную координату $x$ будем откладывать на горизонтальной оси, а временную координату $t$ - на вертикальной (обычно так делается). Если мы будем следить за движущейся частицей и отмечать её положения $(x,t)$ на нашем рисунке, то получим некоторую линию, которая называется мировой линией частицы.

Сначала предполагаем, что пространство у нас пустое, никакой гравитации нет. Возьмём любую точку $(x_0,t_0)$ и рассмотрим световые лучи, проходящие через эту точку. Они имеют уравнения $x-x_0=\pm c(t-t_0)$. На чертеже они выглядят как две прямые, проходящие через нашу точку. Эти прямые разбивают плоскость на 4 части (если бы мы ухитрились нарисовать четырёхмерную картинку, то получилось бы три части: два конуса и всё остальное); выше точки $(x_0,t_0)$ находится световой конус будущего, ниже - световой конус прошлого. Мировая линия любой частицы, движущейся со скоростью, меньшей скорости света, и проходящей через $(x_0,t_0)$, должна находиться внутри этих двух конусов (и это верно для каждой точки мировой линии частицы).

Теперь предположим, что у нас есть чёрная дыра. Считаем, что центр её соответствует $x=0$, тогда горизонт чёрной дыры изображается двумя прямыми $x=\pm r_g$, где $r_g$ - гравитационный радиус. Роль гравитации в ОТО состоит в искривлении пространства-времени. Проявляется это в том, что линии, изображающие на нашем графике мировые линии света, становятся искривлёнными. При этом световые конусы будущего наклоняются в сторону чёрной дыры. Для далёких точек наклон невелик, но чем ближе - тем больше. Когда точка достигает горизонта, одна из границ конуса уходит внутрь чёрной дыры, а другая лежит на горизонте (последнее означает, что возможен световой луч, распространяющийся по горизонту чёрной дыры, но такое движение неустойчиво: луч должен либо провалиться внутрь, либо улететь прочь). Внутри чёрной дыры обе границы светового конуса направлены к центру и упираются в прямую $x=0$. Так как мировые линии любых частиц должны находиться внутри светового конуса, то они все должны двигаться к $x=0$.

Ну а для ответа на вопрос "Почему так?" нужно смотреть достаточно серьёзную литературу, в которой излагается теория и делаются соответствующие расчёты.

[Котофеич]

Ринат писал(а):

Всем добрый день.
Сразу скажу, что любую теорию надо стараться не опровергать, а дополнять. Что такое НЕВЕРНАЯ ТЕОРИЯ? Это теория, по законам которой все рассматриваемые системы работать правильно не могут, а как известно, в нашем мире множество систем, которые очень даже правильно подчиняются законам СТО и ОТО. Также было и с Ньютоновской механикой. Все макротела отлично подчинялись ей и никто даже и не подозревал, что где-то будет подвох... до поры, до времени, пока не был открыт электрон, пока не был исследован космос, орбита Меркурия (где механика Ньютона явно не могла объяснить, почему же плоскость эллиптической орбиты поворачивается на определенный угол). Вот тогда появилась необходимость ДОПОЛНИТЬ ТЕОРИЮ! Но не опровергнуть! Зачем опровергать теорию, если она успешно работает для ограниченного класса систем? Дополняйте!
Современная Теория струн (суперструн) предполагает скорости, большие скорости света, даже есть предположение о частицах, обладающими скоростями в два раза превышающими скорость света. Теории...

Теория суперструн ничего подобного не предполагала и предполагать не может.
ОТО никогда не рассматривалась специалистами как истина в первой инстанции
http://dbserv.ihep.su/~pubs/prep2004/ps/2004-49.pdf
А. Эйнштейн избрал в гравитации геометрический подход, основанный на принципе
эквивалентности. Однако подход Эйнштейна, как отмечал позднее в статье [27] В. Тирринг: “. . . не убеждает нас в том, почему рассматривать физическое пространство как риманово предпочтительнее, чем как пространство Вейля, или как финслерово, или как проективное пространство, или как какое-нибудь другое логически возможное”.
Экспериментальная проверка ОТО проводилась только для солнечной системы, и распространение ОТО на большие масштабы есть произвольная гипотеза, которая является
обычным рабочим предположением для астрофизики и космологии.