Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям (читаем бесплатно книги полностью TXT) 📗
Г: Между внешним и внутренним горизонтами событий. Спустившись под внешний горизонт событий, космонавты начинают видеть свет из Вселенной 4. Кроме того, в поле зрения кормового иллюминатора добавляется некоторое количество захваченного света за счет эффекта увлечения.
Д: Сразу под внутренним горизонтом событий. Немедленно после погружения под внутренний горизонт событий в поле зрения космонавтов появляется сингулярность во Вселенной 5. Видна большая область, заполненная отраженным светом из Вселенной 4, а в поле зрения кормового иллюминатора она заполняется ещё большим количеством увлеченного света.
Е: Между внутренним горизонтом событий и сингулярностью. Ниже внутреннего горизонта событий становится видна новая область, содержащая свет, захваченный вблизи сингулярности. Эта вторая область захваченного света может наблюдаться только при полёте, заканчивающемся гибелью космонавтов.
Ж: Непосредственно над сингулярностью. Прямо перед тем как космонавты попадут в сингулярность, новая область захваченного света вырастает настолько, что появляется и в поле зрения кормового иллюминатора. Представленная здесь картина - последнее, что увидят космонавты перед гибелью.
Приближаясь к чёрной дыре, космонавты входят в область круговых орбит света. Здесь они наблюдают свет, захваченный гравитационным полем дыры. На второй паре снимков (рис. 12.23,Б) этот захваченный свет занимает часть поля зрения (он обозначен значком Т). Через кормовой иллюминатор видна только наша Вселенная, хотя сам вид звёзд и галактик теперь начал понемногу искажаться.
По мере того как падающий в дыру корабль приближается к внешнему горизонту событий, часть поля зрения, занятая захваченным светом, всё возрастает. При этом космонавты постепенно удаляются от Вселенной 1. Та часть поля зрения, которая занята изображением Вселенной 1, постепенно уменьшается, что видно на паре снимков, сделанных непосредственно над внешним горизонтом событий (рис. 12.23,В). В тот момент, когда корабль проходит через внешний горизонт событий, Вселенная 1 вообще исчезает из виду. По пути к внешнему горизонту событий через кормовой иллюминатор была всё время видна только Вселенная 3. Но по мере того, как космонавты приближаются к чёрной дыре, изображения звёзд и галактик нашей Вселенной искажаются всё сильнее и сильнее.
Что происходит после того, как космонавты опустились под внешний горизонт событий, можно понять, возвращаясь к диаграмме Пенроуза на рис. 12.20. Если вспомнить, что мировые линии света идут под углом 45°, то ясно, что после прохождения через внешний горизонт событий корабль уже становится недостижим для света из Вселенной 1. Вместе с тем отметим, что между внешним и внутренним горизонтами событий космонавты могут непосредственно видеть свет из Вселенной 4. Поэтому на снимках, сделанных в промежутке между двумя горизонтами, запечатлен свет звёзд и галактик из Вселенной 4 (рис. 12.23,Г). Кроме того, эффект увлечения инерциальных систем стал здесь настолько сильным, что часть захваченного света видна уже из кормового иллюминатора.
После падения сквозь внутренний горизонт событий космонавты ещё могут видеть свет из Вселенной 4. Он отражается изнутри чёрной дыры точно так же, как отражался свет из Вселенной 1. Сразу под внутренним горизонтом событий (рис. 12.23 ,Д) можно наблюдать сингулярность, ограничивающую Вселенную 5. Это та самая сингулярность, в которую обречены врезаться наши космонавты. Отметим также, что сингулярность, ограничивающая Вселенную 2А, теперь пропадает из виду, а в кормовом иллюминаторе видно всё больше захваченного света.
Продолжая падать, космонавты видят, как увеличивается изображение сингулярности во Вселенной 5. Они должны при этом заметить, что сингулярность окружена новой областью захваченного света, который на последующих снимках обозначен как t (рис. 12.23,Е). К тому же свет из Вселенной 3 теперь доходит до космонавтов по двум каналам. Они видят свет, непосредственно приходящий из нашей Вселенной (главным образом через кормовой иллюминатор), но тот же свет приходит к ним и косвенно, отразившись от сингулярности во Вселенной 5.
Наконец, непосредственно перед тем, как космонавты будут разорваны на части в сингулярности, вторая область захваченного света разрастётся настолько, что перетянется и в поле зрения кормового иллюминатора. Эта пара снимков (рис. 12.23,Ж) - последнее, что увидят космонавты перед своей гибелью. Отметим также, что и большая часть отраженного света из Вселенной 4 здесь перетянута в поле зрения кормового иллюминатора.
Узнав о трагическом конце своих коллег, ещё два космонавта вдохновились идеей космического путешествия в чёрную дыру, но наметили себе более безопасный маршрут. Опираясь на тот факт, что керровская сингулярность имеет форму кольца, космонавты решили спуститься в чёрную дыру вдоль её оси вращения. По их расчётам это поможет избежать гибели в точке с бесконечной кривизной пространства-времени. Кроме того, космонавты решили не ставить на свой космический корабль никаких ракетных двигателей. Их путешествие будет сводиться к свободному падению на вращающуюся чёрную дыру. Тот факт, что космонавты свободно падают на дыру вдоль её оси вращения, приводит к важным последствиям. При подходе к кольцевой сингулярности их встретит столь сильная антигравитация, что их выбросит прочь из дыры. Прорваться в отрицательную Вселенную по другую сторону кольца они могли бы только при использовании тяги ракетных двигателей. Их путешествие поэтому получило кодовое название «прыжок с отскоком».
На рис. 12.24 показан «прыжок с отскоком» на диаграмме Пенроуза. В тех же обозначениях, что и прежде, можно сказать, что это путешествие началось во Вселенной 3 (нашей Вселенной). Нырнув в чёрную дыру, космонавты отражаются от сингулярности во Вселенной 5. Их путешествие заканчивается прибытием во Вселенную 7.
РИС. 12.24. Путешествие «прыжок с отскоком». На диаграмме Пенроуза изображена мировая линия двух космонавтов. Их космический корабль свободно падает вдоль оси вращения непредельной керровской чёрной дыры (М > а).
Конструкция использованного в этом путешествии космического корабля представлена на рис. 12.25. Заметьте, что у корабля нет ракетных двигателей! Предоставив своему кораблю свободно падать на чёрную дыру, космонавты обеспечивают его «отскок» наружу под действием антигравитации вблизи кольцевой сингулярности. Космический корабль снабжен двумя большими иллюминаторами, причем из каждого можно наблюдать в точности половину небесной сферы. Космонавты условились называть носовым иллюминатором тот, который всегда обращен к сингулярности (как до, так и после отскока). Напротив, тот иллюминатор, который всё время смотрит во внешнюю Вселенную (до отскока - во Вселенную 3, а после - во Вселенную 7), они именуют кормовым.
РИС. 12.25. Космический корабль. На корабле, на котором два космонавта отправились к чёрной дыре вдоль её оси врашения, вообше нет ракетных двигателей. Корабль снабжен двумя иллюминаторами, в каждый из которых видно в точности половину небесной сферы. Носовой иллюминатор всегда направлен в сторону сингулярности - как в начале прыжка, так и после отскока.
РИС. 12.26. Точки, в которых производилось фотографирование. Космонавты во время своего путешествия сделали в одиннадцати точках по паре снимков (по одному из носового иллюминатора, направленного на сингулярность, и по одному - из кормового иллюминатора, смотрящего во внешнюю Вселенную).
Во время полёта космонавты сделали 11 пар фотоснимков (от А до Л), на которых оказались запечатлёнными изменения вида неба. Как и в случае первого (самоубийственного) путешествия, приведённые картины основаны на расчётах Каннингэма. На рис. 12.26 на диаграмме Пенроуза показаны те точки на мировой линии космического корабля, в которых делались снимки.
