Как черная дыра может уменьшить скорость света?

Взгляните на вопрос Скорость света в гравитационном поле? поскольку это показывает вам в деталях, как рассчитать скорость света в гравитационном поле.

Я не пометил это как дубликат, потому что полагаю, вас интересуют не столько детали, сколько то, как скорость света вообще может измениться. Вы, наверное, слышали, что скорость света постоянна, поэтому справедливо спросить, почему она непостоянна вблизи черной дыры. Ответ оказывается весьма тонким.

В специальной теории относительности скорость света является глобальной константой в том смысле, что все наблюдатели повсюду будут измерять одно и то же значение$c$. В общей теории относительности это по-прежнему верно, только если пространство-время плоское. Если пространство-время искривлено, то все наблюдатели повсюду будут измерять одно и то же значение$c$ если измерение производится локально .

Это означает, что если я измерю скорость света в своем местоположении, я всегда получу значение$c$, и это верно независимо от того, сижу я на месте, катаюсь на ракете, падаю в черную дыру или что-то еще. Но если я измерю скорость света в какой-то удаленной от меня точке, я обычно получу значение, отличное от$c$. В частности, если я сижу далеко от черной дыры и измеряю скорость света вблизи ее поверхности, я получу значение меньше$c$.

Итак, ответ на ваш вопрос заключается в том, что в ОТО скорость света не всегда$c$.

Как черная дыра может уменьшить скорость света?

Потому что гравитационное поле — это место, где скорость света меняется. См. Эйнштейн, говорящий об этом в параграфе 2 здесь :

Скорость света меняется в зависимости от комнаты, в которой вы находитесь. Если бы это было не так, ваш карандаш не упал бы. Как говорил Джон Ренни, локально измеренная скорость света постоянна. Но это только потому, что мы используем локальное движение света для определения секунды и метра, которые мы затем используем... для измерения локального движения света. Ох! См. Магейхо и Моффат, говорящие об этой тавтологии в этой статье .

Если скорость света всегда постоянна, то свет должен покинуть черную дыру, потому что, если он направлен радиально наружу, ему нужно пройти только конечное расстояние, чтобы уйти, а при скорости c он сделает это за конечное время.

Правильный. Но это не постоянно. См. эту статью PhysicsFAQ, где автор Дон Кокс говорит такие вещи, как «эта разница в скоростях как раз та, на которую ссылаются выше потолочные и напольные наблюдатели» . Или посмотрите , как Ирвин Шапиро говорит: «Скорость световой волны зависит от силы гравитационного потенциала» :

Поскольку свет не может покинуть черную дыру, это означает, что скорость света должна быть меньше c вблизи черной дыры.

Правильный. См. Распространение света в неинерциальных системах отсчета в Википедии. В нем говорится следующее:

«Координатная скорость света (как мгновенная, так и средняя) замедляется в присутствии гравитационных полей».

Именно это имел в виду Джон Ренни, когда говорил об измерении скорости света в какой-то удаленной от него точке. Но он не рассказал вам всю историю. Потому что статья в Википедии также говорит об этом:

«Например, на горизонте событий черной дыры координатная скорость света равна нулю» .

Вот почему черная дыра черная. Вертикальный луч света не выходит, потому что скорость света в этом месте равна нулю. Обратите внимание, что в статье также говорится «пока правильная скорость равна c» . Это ошибка. Если бы вы были в месте, где скорость света и все остальное равно нулю, гравитационное замедление времени бесконечно, и вам потребовалась бы целая вечность, чтобы измерить местную скорость света. Таким образом, вы не измеряете локальную скорость света как c. Никогда не. И удивительная нелогичная вещь во всем этом заключается в том, что когда вертикальный луч света поднимается с поверхности планеты, он ускоряется .

Черная дыра не замедляет скорость света. Поскольку геодезические пространства-времени так искривлены вокруг горизонта, свет не может уйти, потому что его траектория становится близкой к круговой, поэтому он продолжает вращаться вокруг горизонта черной дыры. В конце концов, если он окажется достаточно близко, он закрутится в самом черном доме, чтобы никогда не выбраться.

Чтобы понять, почему черная дыра может улавливать свет, но свет по-прежнему движется с постоянной скоростью, вам требуется понимание общей теории относительности, но существенным моментом является то, что черная дыра искривляет пространство-время на самой себе, так что все пути внутри черной дыры ведут обратно к сингулярности в центре, независимо от того, в каком направлении вы идете, это просто грубое объяснение того, почему свет движется со скоростью света, но не может покинуть внутреннюю часть черной дыры. Я надеюсь, что это удовлетворит ваше любопытство в эвристическом смысле!