Černá díra a pohyb fotonu v jejím gravitačním poli

Hloubaví laici často se ptají „…a jaká je klidová hmotnost fotonu?“. Z pohledu speciální teorie relativity je to nesprávně položená otázka. Táto teorie byla rozvinuta pro gravitace prosté vakuum, a v něm má foton jedině možnou rychlost c0 – nemůže mít nulovou rychlost a tudíž ani klidovou hmotnost. Jenže „Speciální teorii nikterak nenáleží neomezený obor platnosti“, a jiná je situace z pohledu obecné teorie relativity, která zohledňuje vliv gravitačního pole na pohyb fotonu. Jak je ukázáno na Obr. 1a, gravitační pole pohyb fotonu urychluje, nebo zpomaluje – zvyšuje, nebo snižuje jeho kinetickou energii. V pozemských podmínkách (Obr. 2) kinetická energie fotonu může klesnout na minimální hodnotu Ek0 v gravitace prostém vakuu. Hmotnost Země je příliš malá na to, aby gravitační pole pozastavilo pohyb fotonu. Při nulové kinetické energii a rychlosti by hmotnost fotonu byla Eemc0–2, což lze považovat za klidovou hmotnost fotonu. V pozemských podmínkách, a ani v celé sluneční soustavě klidovou hmotnost nelze dosáhnout. Jiná je situace v podmínkách gravitačního pole černé díry.

Černá díra je kosmické těleso, které má tak velikou hmotnost, že jeho gravitační síla ani světlu (fotonu) nedovolí uniknout a dosáhnout k Zemi. Proto je toto kosmické těleso pro nás černé – neviditelné. Černou díru lze zkoumat jedině pomocí obecné teorie relativity, která je však výsadou mála špičkových teoretiků. Pokud si chce hloubavý laik vytvořit představu o černé díře, musí se spolehnout na animaci a svou fantazii. V dobré víře předpokládáme, že pravidla animace použité k tvorbě Obr. 1a se dají aplikovat i pro černou díru, jen s tím rozdílem, že černá díra má podstatně větší hmotnost než Slunce.

Výsledek animace pohybu fotonu v černé díře je ukázán na Obr. 3. Zelený mužíček, podobný tomu marťanskému, odkudsi v gravitačním poli, vysílá ze svého zdroje fotony ve snaze informovat lidi na Zemi o černé díře. Jenže gravitační pole černé díry nikomu, ani fotonu, nedovolí překročit hranici označenou jako Horizont. Je to pomyslná sférická plocha kolem černé díry. Každý foton se od Horizontu vrací zpět po spirálovité dráze stále blíž k černé díře, až do ní zapadne a jeho energie Ef přispěje k zvětšení hmotnosti černé díry.


Obr. 3. Pohyb fotonu v gravitačním poli černé díry (cernadira.exe)
Na Obr. 3 vpravo je znázorněna rychlost fotonu, který se pohyboval vzhůru po přímce černá-díra – zdroj-fotonu. Po dosažení nejvyššího bodu, foton se zastaví na ploše Horizontu, a vrací se po stejné dráze přímo k černé díře, až nakonec do ní zapadne. Jeho energie je čistě elektromagnetická Ef = Eem a tudíž jeho klidová hmotnost je mem = Eemc0–2. Žel, zelený mužíček nemá žádnou možnost zaslat zprávu o této jedinečné události lidem na Zemi.

Copyright © 2019 E = mc2.   Nová česká moderní a alternativní encyklopedie Wikina.   Založeno na šabloně Panorama od ThemocracyThemocracy