Черные дыры Ч.1

Черные дыры

Итак, черные дыры (далее ЧД). Возьмем «Физику Космоса»: «ЧД — участок пространства, в котором поле тяготения настолько мощное, что вторая космическая ско­рость для находящихся в ней объектов должна превышать скорость света, то есть, из ЧД ничто не может вылететь — ни частица, ни свет, поскольку в приро­де ничто не может двигаться, превышая скорость света». Как видим, речь идет не о конкретном космическом объекте (вроде кометы, звезды или планеты), а о четко определенном пространственном элементе Вселен­ной. Для астрономов в этом нет ничего удивительного — они давно и плодо­творно исследуют гигантские зоны HI и НИ, молекулярные и газовые обла­ка, межзвездные пузыри. В последние десятилетия особенно активно ведутся теоретические разработки, ЧД чрезвы­чайно популярны, их используют для объяснения многих загадочных астро­номических явлений. Но в самой нау­ке о ЧД существенных сдвигов нет и пока не предвидится, несмотря на все старания исследователей. Уж слиш­ком необычна природа этих космичес­ких образований.

История открытия

Первым о возможности существова­ния необычных космических объектов заявил еще в далеком 1783 г. англий­ский священник Джон Митчелл, в сво­бодное от проповедей время активно за­нимавшийся астрономией, а также за­ложивший основы современной сей­смологии. В работе, написанной для «Философских трудов Лондонского Ко­ролевского Общества», он рассматри­вал вопросы поисков предельной массы звезды. Членам Королевского Общест­ва пришлось не по вкусу утверждение Митчелла о том, что у довольно массив­ной и компактной звезды гравитацион­ное поле должно быть настолько силь­ным, что свет не сможет преодолеть его границ: луч света, излученный поверх­ностью такой звезды, не успев даже отойти от нее, немедленно вернется назад. В частности, свет никогда не смо­жет покинуть тело, по плотности рав­ное Солнцу, но радиусом превосходя­щее его в 500 раз, поскольку вторая космическая скорость для такого тела должна превышать скорость света. От­метим, что Митчелл занимался опреде­лением массы отдаленных звезд, и та­кой неожиданный результат являлся просто побочным продуктом его расче­тов. Почтенные астрономы, хоть и ре­комендовали работу к печати, воспри­няли заявление священника как «не­сусветную чепуху». Однако не прошло и двадцати лет, как другой известный и авторитетный астроном — Пьер Симон Лаплас — в своей книге «Изложение системы мира» повторил размышления священника: «Звезда с плотностью рав­ной плотности Земли и диаметром в 250 раз большим диаметра Солнца из-за своего притяжения не позволит ни од­ному лучу света достичь нас, а поэтому вполне вероятно, что самые яркие звез­ды Вселенной по этой причине остают­ся невидимыми»1. Можно понять уче­ных мужей из Королевского Общества, поскольку «нарушители спокойствия» использовали для своих расчетов на удивление простую формулу для определения второй космической скорости: V2 = V2GMR, где G — гравитационная постоянная, М и R — масса и радиус сферического объекта. Вторая косми­ческая скорость для Земли равняется 11,2 км/с. Думаю, излишне напоми­нать читателям, что все эти соображе­ния справедливы для теории гравита­ции Ньютона — так называемой клас­сической теории. Отметим попутно, что такое тело должно сжаться в сферу с ра­диусом, меньшим R=2GM/c2.

Однако рассуждения Митчелла и Лапласа оказались преждевременными даже для самих авторов. Работу свя­щенника Лаплас даже не упоминал, а результаты собственных расчетов исключил из третьего издания своей книги (в первых двух он уделил им достаточно внимания), возможно, считая подоб­ные выводы неправдоподобными. В последующие годы популярность кор­пускулярной теории света падала, мод­ными стали попытки объяснять все по­добные явления с позиций волновой те­ории, а в ней воздействие гравитацион­ных сил на свет было совсем не очевид­ным.

И только в 1915 г., после создания Эйнштейном Общей теории относитель­ности (ОТО), ученые вновь взялись за разработку этой темы. В 1916 г. немец­кий физик-теоретик Карл Шварцшильд нашел решения уравнений для гравитационного поля ОТО, после чего проблему гравитационного коллапса можно было считать решенной. Резуль­таты работы Шварцшильда можно бы­ло интерпретировать так: если тело с массой М сжато в сферу определенного радиуса (который называется гравита­ционным радиусом rg или радиусом Шварцшильда — Rm), то пространство-время вблизи него искажается настоль­ко сильно, что свет не может выйти из этой сферы. А поскольку, согласно тео­рии, ничто не может двигаться быстрее света, то сферу радиусом Rm вообще не может покинуть никакой материаль­ный объект или сигнал.

Image 

Из решения Шварцшильда следует, что для любого тела с массой М Rm = 2GM/c2. Примечательно, что это реше­ние совпадает с формулой, полученной на основе теории Ньютона и с использо­ванием термина «вторая космическая скорость». Не стоит удивляться тому, что ОТО и теория тяготения часто дают одни и те же результаты: расхождение между ними проявляется только в экс­тремальных физических ситуациях (к которым можно отнести и случаи со сверхмощными гравитационными по­лями черных дыр).

В теории ЧД подобные объекты на­зывают простыми (элементарными) ЧД или шварцшильдовскими ЧД. Подоб­ная дыра может образоваться, когда звезда с массой больше трех солнечных масс начинает сжиматься. Ни одна из­вестная на сегодняшний день сила не способна остановить это сжатие, иначе называемое «гравитационный коллапс». Звезда будет сжиматься до тех пор, по­ка все вещество не окажется собранным в определенной точке — сингулярнос­ти. В сингулярности вещество сжато до бесконечной плотности бесконечно огромными гравитационными силами. Но современная физика не может опе­рировать понятиями бесконечных плотностей и сил — ученые стыдливо ссылаются на то, что в сингулярности законы природы перестают работать. Очевидно, следовало бы говорить, что там действуют другие, неизвестные нам законы. Что же касается вещест­ва, оказавшегося в сингулярности, то оно, наверное, должно было бы исчез­нуть. Но куда? Быть может, ответ на этот вопрос даст будущая квантовая теория гравитации, в которой исчез­нет понятие «сингулярность», что зна­чительно облегчит жизнь физикам-те­оретикам. Однако сегодня лишь самые смелые ученые делают первые шаги — пока неудачные — в создании такой теории…

Как только звезда сжимается до сфе­ры шварцшильдовского радиуса, она исчезает из поля зрения, поскольку свет с ее поверхности уже не доходит до нас. В этом случае теоретики постули­руют появление так называемого гори­зонта событий, который, очевидно, должен совпадать с границей ЧД. Все, что происходит за этим горизонтом, недоступно для внешнего наблюдате­ля, поскольку исчезает всякая воз­можность обмена информацией между ним и его воображаемым визави на ЧД. Горизонт событий — граница од­носторонняя, все материальные пред­меты, любое излучение, в том числе и свет, могут попадать на ЧД, но назад им дороги нет. Было бы ошибкой счи­тать, что пространство между горизон­том событий и сингулярностью запол­нено веществом, поглощаемым ЧД — это не так, поскольку все вещество сос­редоточено в сингулярности (ведь плот­ность вещества там достигает бесконеч­ности), а упомянутое пространство за­полнено вакуумом.

«Чернодырная машина времени»

Каждый человек, минимально зна­комый с достижениями современной науки о Космосе, непременно слышал словосочетание «черная дыра». Эти таинственные объекты, кажется, ста­ли неотъемлемой и даже какой-то будничной частью Вселенной. Боль­ше всего ученых привлекают даже не их трудновообразимые физические свойства, а некоторые, скажем так, сугубо практические приложения. Одним из них, по понятным причинам ставшим поводом для множества спе­куляций и сюжетом для фантасти­ческих рассказов, является так назы­ваемая «чернодырная машина вре­мени». В предыдущих статьях уже упоминалась гипотетическая воз­можность перемещения в пространстве по пространственно-временным туннелям». Оставим в стороне кате­горическое отрицание теорией подоб­ной возможности для классических ЧД и попробуем разобраться в аргу­ментации любителей таких экзоти­ческих путешествий. Одна из исполь­зуемых ими лазеек в теории ЧД свя­зана с тем, что существует теорети­ческая возможность пространствен­но-временной конвертации — при некоторых значениях определенных параметров пространство и время меняются местами и падение космо­навта в сингулярность (перемещение в пространстве) превращается в пе­ремещение во времени, причем обя­зательно в будущее. Почему в буду­щее? Вспомним известный «парадокс близнецов». Один из близнецов, путе­шествующий, например, 20 лет в межзвездном пространстве со ско­ростью, близкой к скорости света, при возвращении на Землю обнару­живает, что его брат на родной плане­те если не умер, то дожил до глубокой старости (возраст земного брата бу­дет определяться скоростью меж­звездного путешествия). Оказывает­ся, аналогичные искривления про­странства-времени, обусловленные перемещением с околосветовыми скоростями, проявляются и в мощ­ных гравитационных полях (а в этом отношении конкурентов у ЧД не име­ется). Наблюдатель, приближаю­щийся к горизонту событий ЧД (пе­ресечет он его со скоростью, равной скорости света), вплоть до падения в сингулярность сможет в ускоренном темпе увидеть все будущее Вселен­ной… или, в худшем случае, его часть. «Глубина проникновения» в будущее определяется массой ЧД (фактичес­ки значением ее шварцшильдовского радиуса). Космонавт увидит угасание Солнца и превращение его в крас­ный гигант, гибель Земли и планет Солнечной системы в горячей раздувшейся солнечной атмосфере, превращение Солнца в белый карлик и его смерть, постепенное «догорание» всех звезд Галактики и, наконец, «ги­бель Вселенной» после прекращения абсолютно всех физических процес­сов или в результате гипотетического распада элементарных частиц.

Image 

Понадобится ли человечеству когда-либо такой способ познания Вселенной? Скорее всего, на него могут отважиться лишь смельчаки-камикадзе или фанатики-ученые.

Астрофизики-теоретики в своих математических изысканиях способ­ны так искривить пространство-вре­мя внутри ЧД, что они не только по­меняются своими функциями, но и покажут настоящие чудеса превра­щения. Оказывается, в сильном гра­витационном поле пространство-время может «возмутиться», как вода в реке, которая, встретив препятс­твие, сильно искривляет свое тече­ние. Возможен даже вариант столь сильного искривления, что часть «по­тока времени» входит в «пространс­твенно-временной туннель», отделя­ется, течет в обратную сторону и вы­ходит в обратном направлении, то бишь в прошлом. Образуется так на­зываемая «петля хода времени». По­пав при своем путешествии в ЧД в такую петлю, космонавт сможет бес­препятственно «запрыгнуть» в далекое прошлое, хотя в этой петле слож­но отделить прошлое от будущего. Более того: возникает парадоксаль­ная ситуация, когда сегодняшние со­бытия определяются в равной степе­ни и прошлым (против чего возраже­ний не имеется), и будущим (о, вол­шебники-теоретики!) Один из «конс­трукторов машины времени», рос­сийский ученый И.Д.Новиков сфор­мулировал для нее некий основопо­лагающий принцип самосогласован­ности: коль у вас есть эта машина, будьте добры согласовать сегодняш­ние события с прошлыми и будущи­ми (задачка для первоклассников!).

Здесь появляется еще один «родс­твенный» парадокс, теперь уже «па­радокс дедушек». Коль скоро Путе­шественник при своих странствиях на «машине времени» может попасть в прошлое, он может встретить там не только себя (молодого), но и родителей и даже прародителей (до невесть ка­кого колена), а то и забрести в свое не­существование. А вдруг он (Путешес­твенник) воспылает ненавистью к сво­ему дедушке, промотавшему в карты богатящее наследство и оставившего внучка прозябать без копейки? Ведь можно не дать дедушке сделать это, устранив его за год до банкротства? Но… тогда и само рождение Путешес­твенника не может стать реальным событием! Свою озабоченность этой проблемой проявил и Станислав Лем: «А хроноизвращение? А футуроло­гия, а часовой фетишизм, а нападение возбужденных старцев на самих себя в юном возрасте их сельского детства? А похищение во времени?» На упреки своих коллег в том, что подобной трак­товкой свободы воли человека (хочу убить — убью!) нарушается фунда­ментальный принцип науки (принцип причинности), Новиков отвечает, что сам факт рождения Путешественни­ка в будущем так влияет на прошлое (вероятность убийства Путешествен­ником своего дедушки), что задача становится самосогласованной. Про­тивников «машины времени» Новиков и его последователи убеждают про­странными рассуждениями о неких неведомых законах физики, которые не дают машине провоцировать путе­шественника на необдуманные по­ступки. А вот каковы аргументы дру­гого известного сторонника «машины времени», астрофизика К.Торна: «Что-то должно остановить вашу ру­ку, если вы попытаетесь убить своего дедушку. Что и как? Ответ (если он вообще существует) далек от очевид­ности, так как он связан со свободой воли человека. Совместимость свобо­ды воли и строгого физического зако­на — ужасно смутная проблема даже в отсутствие машины времени».

Поскольку путешествия во време­ни не очень-то вписываются в рамки серьезной науки, занимаются этой проблематикой физики-теоретики на досуге. Зачастую им приходится браться за разработку идей и гипотез, предложенных писателями-фантас­тами. Последние, воспользовавшись возможностью существования пред­сказанных ОТО «пространственно-временных туннелей», перекрестив их в более благозвучные «звездные вра­та», заставляют героев своих произве­дений лихо нырять в подобные врата, превращая перемещения на гигант­ские межзвездные и межгалактичес­кие расстояния в мгновенные прыжки в пространстве. Воодушевленный иде­ей таких мгновенных перемещений, Торн и его коллеги решили проверить, не противоречит ли идея «звездных врат» законам современной физики. Отправной точкой их исследований послужило предположение о том, что такой туннель должен напоминать ЧД с ее чудовищной гравитацией. По­скольку билет в ЧД выдается только односторонний (с правом входа, но без права на выход), пришлось искать иные варианты. Согласно Торну, «пространственно-временной тун­нель» надо наполнить неким агентом (веществом), создающим антиграви­тационное поле и препятствующее превращению в ЧД массивной систе­мы, в которой создается такой тун­нель. (Десять лет назад поиски «источ­ника отталкивания» существенно тор­мозили продолжение гипотезы, но се­годня на роль генератора антиграви­тационного поля реально претендует темная энергия.) Единственную серье­зную проблему автор гипотезы усмат­ривал только в обеспечении стабили­зации работы такого туннеля, ибо при решении соответствующих уравне­ний были весьма важны квантовые эффекты, о которых мы еще знаем очень мало. Но, тем не менее, Торн был твердо уверен в том, что в случае со­здания стабильного «пространствен­но-временного туннеля» он может быть использован как машина време­ни: пройдя через такой туннель, Путе­шественник окажется не только в другой точке Вселенной, но и в другом моменте времени — в прошлом или в будущем. В последнее время, в разви­тие гипотезы Торна, было показано, что даже стабильные «пространствен­но-временные туннели» склонны со­вершенно не соблюдать маршрут и сроки путешествия — они стремятся выбрасывать Путешественника в со­вершенно произвольную точку как во времени, так и в пространстве. Стоит ли пускаться в такие странствия?

Image 

Даже Стивена Хокинга чрезвычай­но расстраивали подобные неестес­твенные последствия путешествий во времени (не зависящие от используе­мой модели «машины времени»). По­этому он выдвинул «гипотезу защиты хронологии», которая запрещает су­ществование «петли времени». По­скольку ОТО допускает путешествия в прошлое, то для реализации такой защиты должен существовать некий фактор, их запрещающий. Применив для расчетов движения частиц в та­кой Вселенной квантовые уравнения, ученые обнаружили, что они потен­циально могут попадать в свое прош­лое, но возникающая при этом цепная реакция породит расходящуюся энергетическую волну, которая раз­рушит пространственно-временной туннель. Пока гипотеза Хокинга не получила подтверждения, а следова­тельно, путешествия во времени оста­ются теоретически возможными…

Георгий Ковальчук

кандидат физико-математических наук,

Главная астрономическая обсерватория, г. Киев

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: