Время и черные дыры

Время и чёрные дыры.

Термин "черная дыра" появился совсем недавно. Его ввел в обиход в 1969 г. американский ученый Джон Уилер как метафорическое выражение представления, возникшего по крайней мере 200 лет назад, когда существовали две теории света: в первой, которой придерживался Ньютон, считалось, что свет состоит из частиц; согласно же второй теории, свет - это волны. Сейчас мы знаем, что на самом деле обе они правильны. В силу принципа частично-волнового дуализма квантовой механики свет может рассматриваться и как частицы, и как волны. В теории, в которой свет - волны, было непонятно, как будет действовать на него гравитация. Если же свет - поток частиц, то можно считать, что гравитация действует на них так же, как на пушечные ядра, ракеты и планеты. Сначала ученые думали, что частицы света перемещаются с бесконечной скоростью и поэтому гравитация не может их замедлить, но когда Рёмер установил, что скорость света конечна, стало ясно, что влияние гравитации может оказаться существенным.

Чтобы понять, как возникает  черная дыра, надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезды. Звезда образуется, когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься силами собственного гравитационного  притяжения. В процессе сжатия атомы  газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь с всё  большими и большими скоростями. В  результате газ разогревается и, в конце концов, становится таким  горячим, что атомы водорода, вместо того чтобы отскакивать, друг от друга, будут сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый  взрыв водородной бомбы, и вызывает свечение звезды. Из-за дополнительного  тепла давление газа возрастает до тех пор, пока не уравновесит гравитационное притяжение, после чего газ перестает  сжиматься. Это немного напоминает надутый резиновый шарик, в котором  устанавливается равновесие между  давлением воздуха внутри, заставляющим шарик раздуваться, и натяжением резины, под действием которого шарик  сжимается. Подобно шарику, звезды будут  долго оставаться в стабильном состоянии, в котором выделяющимся в ядерных  реакциях теплом уравновешивается гравитационное притяжение. Но, в конце концов у звезды кончится водород и другие виды ядерного топлива. Как ни парадоксально, но чем больше начальный запас топлива у звезды, тем быстрее оно истощается, потому что для компенсации гравитационного притяжения звезде надо тем сильнее разогреться, чем больше ее масса. А чем горячее звезда, тем быстрее расходуется ее топливо. Запаса топлива на Солнце хватит примерно на пять тысяч миллионов лет, но более тяжелые звезды израсходуют свое топливо всего за сто миллионов лет, т. е. за время, гораздо меньше возраста Вселенной. Израсходовав топливо, звезда начинает охлаждаться и сжиматься, а вот что с ней происходит потом, стало понятно только в конце двадцатых годов нашего века.

Черные дыры - один из очень  немногочисленных примеров в истории  науки, когда теория развивалась  во всех деталях как математическая модель, не имея никаких экспериментальных  подтверждений своей справедливости. И это, конечно, было главным возражением  противников черных дыр: как можно  верить в реальность объектов, существование  которых следует лишь из вычислений, основанных на такой сомнительной теории, как общая теория относительности. Но в 1963 г. Маартен Шмидт, астроном из Паламарской обсерватории в Калифорнии, измерил красное смещение тусклого, похожего на звезду объекта в направлении источника радиоволн ЗС273 (источник под номером 273 в третьем Кембриджском каталоге радиоисточников). Обнаруженное Шмидтом красное смещение оказалось слишком велико, чтобы его можно было объяснить действием гравитационного поля: если бы оно было гравитационного происхождения, то связанный с ним объект должен был иметь такую большую массу и располагаться так близко к нам, что его присутствие изменило бы орбиты всех планет Солнечной системы.

Ученые установили, что  черные дыры должны возникать в результате очень сильного сжатия какой-либо массы, при котором поле тяготения возрастает настолько сильно, что не выпускает  ни свет, ни какое-либо другое излучение, сигналы или тела.

 Еще в 1798 г. П.  Лаплас, исследуя распространение  света в поле тяготения объекта,  большая масса которого сосредоточена  внутри малой области пространства, пришел к заключению, что в  природе могут встречаться тела  абсолютно черные для внешнего  наблюдателя. Поле тяготения таких  тел настолько велико, что не  выпускает наружу лучей света.  Для этого необходимо лишь, чтобы  масса объекта  была сосредоточена  в области с радиусом, меньшим  так называемого гравитационного  радиуса тела.

 Вывод Лапласа основывался  на классической механике и  теории тяготения Ньютона. 

 Следовательно, для  возникновения черной дыры необходимо, чтобы масса сжалась до таких  размеров, при которых вторая  космическая скорость становится  равной скорости света. Этот  размер носит название гравитационного радиуса и зависит от массы тела. Величина его очень мала даже для масс небесных тел. Так, для Земли гравитационный радиус приблизительно равен 1см, для Солнца – 3 км.

 Для того чтобы преодолеть  тяготение и вырваться из черной  дыры, потребовалась бы вторая  космическая скорость, большая световой. Согласно теории относительности,  никакое тело не может развивать  скорость большую, чем скорость  света. Вот почему из черной  дыры ничто не может вылететь, не может поступать наружу  никакая информация. После того  как любые тела, любое вещество  или излучение упадут под действием  тяготения в черную дыру, наблюдатель  никогда не узнает, что произошло  с ними в дальнейшем. Вблизи  черных дыр, как утверждают  ученые, должны резко изменяться  свойства пространства и времени.

 Если черная дыра  возникает в результате сжатия  вращающегося тела, то вблизи  ее границы все тела вовлекаются  во вращательное движение вокруг  нее.

 Ученые считают, что  черные дыры могут возникать  в конце эволюции достаточно  массивных звезд. После исчерпания  запасов ядерного горючего звезда  теряет устойчивость и под  действием собственной гравитации  начинает быстро сжиматься. Происходит  так называемый гравитационный  коллапс (такой процесс сжатия, при котором силы тяготения  неудержимо возрастают).

 А именно, к концу  жизни звезды теряют массу  в результате целого ряда процессов:  звездного ветра, переноса массы  в двойных системах, взрыва сверхновых  и т.д.; однако известно, что существует  много звезд с массой, в 10, 20 и даже в 50 раз превышающей  солнечную. Маловероятно, что все  эти звезды как-то избавятся  от «излишней» массы, чтобы  войти в указанные пределы  (2-3М?). Согласно теории, если звезда  или ее ядро с массой выше  указанного предела начинает  коллапсировать под действием собственной тяжести, то ничто уже не в состоянии остановить ее коллапс. Вещество звезды будет сжиматься беспредельно, в принципе, пока не сожмется в точку. В ходе сжатия сила тяжести на поверхности неуклонно возрастает – наконец, наступает момент, когда даже свет не может преодолеть гравитационный барьер. Звезда исчезает: образуется то, что мы называем ЧЕРНОЙ ДЫРОЙ.

Все изложенные идеи глубоко  затрагивают наши представления  о структуре пространства-времени. Обратите внимание, что начали мы с  теории поведения частиц на сферической плоскости, ограничивающей черную дыру, то есть имели дело с 2+1 пространственно-временными измерениями, а закончили теорией гравитации для 3+1 измерений. Получается, что одно пространственное измерение взялось буквально ниоткуда! Однако оно появилось не из ниоткуда, а из взаимодействий между частицами в 2+1 измерениях.

А это значит, что пространство-время  — не самое фундаментальное понятие. Оно порождается более основополагающими  представлениями, и его законы вступают в силу лишь после некоторого удаления наблюдателя от объекта изучения.

 Если бы мы жили  в пространстве-времени с отрицательной  кривизной, то для понимания  всего происходящего в нашей  Вселенной достаточно было бы  создать адекватную теорию пограничного  слоя, описывающую поведение частиц в нем. Но судя по всем имеющимся данным, в макроскопических масштабах пространство-время нашей Вселенной имеет, увы, положительную кривизну. На текущий момент нам неизвестно, существует ли возможность для подобного описания гравитационных полей в данных условиях. Если бы оно существовало и если бы нам удалось его найти, оно решило бы проблему сингулярности Большого взрыва.

Как было отмечено, современная  физика черных дыр сталкивается с  различными понятиями времени для  наблюдателей вне и внутри области  под горизонтом событий. Из-за отсутствия обмена информацией проблема синхронизации  времен (и вообще увязки процесса их течения) кажется на первый взгляд неразрешимой. Однако так ли это на самом деле?

Замечательным свойством  ЧД является объективное существование  и принципиальная возможность определения  их основных параметров - массы, электрического заряда и момента вращения. Эти  параметры в совокупности обусловливают  площадь горизонта событий ЧД, с помощью которой легко найти  и радиус (размер) ЧД. Далее мы ограничимся простейшим случаем - электрически нейтральной и невращающейся ЧД (черной дырой Шварцшильда), не будем также учитывать излучение Хокинга. Гравитационный радиус ЧД Шварцшильда просто пропорционален массе M дыры: R = 2GM/c¹, где G - гравитационная постоянная, с - скорость света. Как известно, в процессе эволюции площадь горизонта событий ЧД никогда не уменьшается (теорема Хокинга), поэтому для такой дыры мы получаем в свое распоряжение универсальный, монотонно изменяющийся маркер времени эволюции ЧД - ее размер, притом заведомо общий как для внешнего, так и для внутреннего наблюдателя.

Рассматривая достаточно большой (в космологическом смысле) отрезок эволюции такой ЧД, мы можем параметризовать (с помощью глобального размера) множество ее последовательных состояний², и результат этой параметризации будет одинаковым для внутреннего и внешнего наблюдателя. С этим вполне согласуется и известный характер связи между энтропией ЧД и площадью ее горизонта. Любые другие системы отсчета времени тем или иным способом могут быть увязаны с выбранной нами системой отсчета.

Подведем итоги. Мы рассматриваем  черные дыры, возникшие в нашей  Вселенной после Большого Взрыва и эволюционирующие (за счет роста  массы) в ходе дальнейших космологических  этапов. Мы предлагаем для таких  дыр ввести специальное “параметрическое”  время (текущий космологический  возраст черной дыры), однозначно связанное  с текущим радиусом горизонта  событий черной дыры с помощью  размерного множителя - скорости света.