Почему мы видим мнимые изображения звёзд, а не действительные

В своей работе я собираюсь поговорить о том, что такое пространство-время, как гравитация искривляет пространство и почему изображения звезд, которые мы видим на ночном небе, мнимые, а не действительные.

В своё время Эйнштейн высказал предположение революционного характера, а именно что гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как считалось раньше. Оно искривлено распределенными в нем массой и энергией. Чем больше масса тела, тем сильнее это тело искривляет пространство. Сейчас я объясню, что это значит и как это вообще работает.

Мысленно представьте себе сильно натянутое без каких-либо складок покрывало. Вот мы берём два металлических шарика разной массы, допустим, первый шарик будет у нас массой в пять килограмм, а второй – массой в десять килограмм, то есть ровно в два раза тяжелее. Сначала мы положим на эту натянутую ткань шарик массой в пять килограмм и увидим, что он немножко проваливается, создавая как бы воронку под тяжестью собственного веса, а теперь давайте уберём этот шарик и положим на его место другой – массой в десять килограмм. Мы увидим, что во втором случае покрывало оттягивает вниз сильнее, чем в первом случае. Любой человек ответит почему так. Потому что второй шарик тяжелее, чем первый, всё правильно. Ровно таким же образом работает и искривление пространства. Чем тяжелее планета, тем сильнее она искривляет пространство вокруг себя. Для объяснения того, как движутся планеты по своим орбитам, как движутся лучи света, которые также огибают тела большой массы, а также для объяснения траектории тел по тем самым линиям, которые возникают вследствие искривления пространства, мы введём понятие геодезическая. Если совсем просто, то геодезическая – это и есть та самая кривая линия, которая как бы огибает тело большой массы и возникает вследствие искривления пространства. Чтобы стало понятнее, вернёмся к примеру с натянутым покрывалом. Теперь представьте, что покрывало разбито на квадраты как тетрадь в клеточку. Когда оно сильно натянуто, мы видим, что линии прямые и перпендикулярны относительно друг друга. Но как только мы на это покрывало положим шарик любой массы, то увидим, что эти линии начнут искривляться и огибать предмет, который мы положили на покрывало. Вот эти самые кривые линии и есть то, о чем я сейчас говорил. С точки зрения четырехмерного мира, то есть в случае, если мы берем время как четвертую координату помимо трех пространственных (высота, глубина, ширина), это и есть самый короткий путь между двумя соседними точками, который отнюдь не обязательно может представлять собой прямую линию. С точки зрения математики, конечно, между этими точками можно провести прямую линию, и это будет считаться кратчайшим путём между точками, но в физике дела обстоят немножко иначе. Чтобы стало понятнее, почему в физике это работает иначе, приведу еще один пример. Отбросим все нюансы и представим, что Земля – это идеальная сфера. Если мы возьмем проекцию Земли, то есть круг, то при условии, что за пределы периметра этого круга нам выходить нельзя, кратчайшее расстояние между двумя точками, условно говоря, между двумя городами, лежащими на этом периметре, будет дуга, а не прямая. Ещё раз: когда мы говорим о трёхмерном пространстве – это математика, а когда о четырёхмерном – это уже физика, поэтому резюмируя: масса Солнца так искривляет пространство-время, что, хотя Земля в четырёхмерном пространстве движется по прямой, мы видим, что в нашем трёхмерном пространстве она движется по круговой орбите.

Перейдём к следующему вопросу. Почему же мы видим мнимые изображения звезд, а не действительные? Я хочу напомнить, что мы находимся под постоянным воздействием такого крупного физического тела, как Солнце, вокруг которого мы вращаемся. Это действительно объект, имеющий огромную массу, который не может никак не воздействовать на нас.

Давайте опять на несколько минут напряжём наше воображение и представим следующую картину (Поскольку размеры нашей планеты и луча света в сравнении с размером Солнца во много раз меньше, то для простоты и наглядности этими размерами можно пренебречь и представить нашу планету и луч света как безразмерные величины): мы из точки-звезда проведём луч, который будет касаться, условно говоря, земной орбиты. Напомню, что касательная – это прямая, которая пересекает окружность в одной точке. Затем мы проведём луч от нашей точки-Земля, который будет проходить через эту точку касания, и продлим его. Вот то самое мнимое изображение и будет лежать на продолжении луча, который мы провели из точки-Земля. Чтобы стало понятнее: на лучи света также действуют гравитационные силы, и когда луч света попадает в область действия гравитации, грубо говоря, на те самые геодезические линии, то этот луч света так же как наша планета, так же как и все планеты солнечной системы находится в поле действия вот этой самой гравитационной силы, создаваемой Солнцем. А так как скорость света, естественно, самая большая скорость, которая только возможна, то этот свет как бы догоняет нашу планету по той же самой орбите, по которой мы движемся. Дальше, думаю, понятно, что происходит: луч света попадает на сетчатку нашего глаза, и мы видим мнимое изображение звезды.