Phoenix Criminal Lawyer
сентября 5, 2009

 


 


У теоретика черные дыры вызывают особый интерес: ведь они определяют границу применимости всех ныне существующих теорий гравитации, тот предел, за которым требуется формирование новых представлений и создание новых, революционных теорий. Для астрофизика черные дыры крайне интересны тем, что в них, возможно, таится разгадка самых труднообъяснимых явлений во Вселенной. Большинству из нас черные дыры представляются удивительными природными объектами, в которых таинственным образом переплетаются свойства пространства и времени. Что же касается писателей-фантастов, то им черные дыры буквально ниспосланы свыше: во-первых, они открывают возможности потрясающих сюжетов, а во-вторых, они сами должны быть устроены так, что действительность здесь оказывается хитрее всякого вымысла; в описании их фантазия писателя может померкнуть по сравнению с невероятными, но объективными выводами ученого, сделанными на основе надежно установленных законов природы.

Что такое черная дыра? По существу это замкнутая область пространства, в которую сжато вещество и откуда ничто не может выйти: внутри черной дыры притяжение настолько велико, что даже свет не способен вырваться из нее наружу. Термин “черная” здесь очень подходит: если даже свет не выходит из черной дыры, то она должна представлять собой нечто действительно черное; уместно и название “дыра”, поскольку она может поглотить неограниченно много вещества, и в этом смысле ее можно уподобить некой бездонной яме. Впрочем, как мы увидим в дальнейшем, черные дыры не настолько просты, как мы их здесь кратко, хотя в основном и верно, описали.

Название “черная дыра” предложил в 1968 г. профессор Принстонского университета Дж. А. Уилер; однако идея существования в природе таких объектов высказывалась гораздо раньше. По-видимому, подобная мысль возникла впервые около 200 лет назад. В докладе Королевскому обществу в 1783 г. и опубликованных через год “Философских трудах” английский физик Джон Мичелл (1724—1793) отметил, что если свет представляет собой поток частиц, то эти частицы должны подвергаться воздействию тяготения так же, как и все остальные материальные тела. Следовательно, предположил Мичелл, свет, исходящий от массивного тела, будет замедляться. В частности, отметил он, свет не может покинуть тело, имеющее плотность Солнца, но в 500 раз больший радиус, поскольку скорость убегания’ для такого тела должна быть больше скорости света.

Примерно 13 лет спустя великий французский математик Пьер Симон Лаплас (1749—1827) в своей книге “Изложение системы мира” высказал аналогичные мысли; он рассчитал, что тело радиусом, в 250 раз превышающим радиус Солнца, и плотностью, равной плотности Земли, должно быть невидимым, поскольку от него не может уйти свет. Так как плотность Земли почти в 4 раза больше плотности Солнца, то ясно, что оценки Лапласа и Мичелла достаточно хорошо согласуются.

Рассуждения Мичелла и Лапласа применимы для вычисления радиуса любого тела массой М, скорость убегания для которого превышает скорость света. Приравняв скорость убегания v<, к скорости света с, запишем: c=V2GMIR , откуда находим, что скорость убегания для тела массой М превышает скорость света, если это тело сжато в сферу радиусом, меньшим R=2GM/c2.

Вопрос о реальном существовании объектов, указанных Мичеллом и Лапласом, не вызвал особого интереса у физиков того времени; выяснение этого вопроса задержалось более чем на 100 лет. В 1916 г., всего через несколько месяцев после опубликования Эйнштейном общей теории относительности, немецкий физик-теоретик Карл Шварцшильд (1873— 1916) нашел решение уравнений поля этой теории, описывающее пространство-время вне тела со сферически симметричным распределением вещества. Это решение можно интерпретировать так: если тело массой М сжато в сферу определенного радиуса (который называется радиусом Шварцшильда— Кщ), то пространство-время вблизи него искажается так сильно, что свет не может выйти из этой сферы. А поскольку, согласно теории, движение быстрее света невозможно, то, следовательно, сферу радиусом Кш вообще не может покинуть никакой материальный объект или сигнал. Область пространства, которую ничто не может покинуть, ученые и называют черной дырой.

1 Скорость убегания (или вторая космическая скорость) на поверхности объекта (например, Земли) — это минимальная скорость, которую необходимо придать снаряду, чтобы он продолжал двигаться бесконечно, не падая обратно. Брошенный вертикально вверх предмет, прежде чем начать падение, достигает определенной высоты, которая зависит от его начальной скорости. Если начальная скорость точно равна скорости убегания, то предмет, поднимаясь вверх, будет замедляться, но скорость его подъема станет равной нулю только на бесконечном расстоянии. Если начальная скорость предмета превышает скорость убегания, то он никогда не остановится. Величина скорости убегания определяется формулой: u0=V2GM/J?2, где G—гравитационная постоянная, М—масса сферического объекта, R—расстояние от его центра до поверхности. Скорость убегания на Земле составляет 11,2 км/с.

Из решения Шварцшильда следует, что для любого тела массой М Рш=2ОМ/с . Любопытно, что это выражение точно совпадает с формулой, полученной на основе теории тяготения Ньютона и использования понятия скорости убегания. Не следует удивляться, что общая теория относительности и теория тяготения Ньютона часто приводят к одним и тем же результатам: ведь различие между этими теориями проявляется только в экстремальных физических ситуациях. Тем не менее и в случае черной дыры, которую вряд ли можно считать объектом с “нормальными условиями”, обе теории, казалось бы, дают одинаковый результат.

Однако по существу черная дыра в теории Ньютона и черная дыра в общей теории относительности — это далеко не одно и то же. Представление о скорости убегания, хотя и наглядно, имеет некий изъян. Если мы не можем бросить камень со скоростью, большей скорости убегания, то мы по крайней мере можем подбросить его в воздух, и чем сильнее мы его запустим, тем выше он поднимется, прежде чем начнет падать вниз. Аналогично на основании теории Ньютона частицы света, прежде чем начать обратное движение, должны пролететь некоторое расстояние, удаляясь от черной дыры, даже несмотря на то что скорость убегания на ее поверхности существенно превышает скорость света. Но в шварцшильдовской черной дыре свет, испускаемый с “поверхности”, т. е. со сферы радиусом Кш, вообще не может выйти за ее пределы. Как видим, сходство результатов, полученных из теорий Ньютона и Эйнштейна,—только внешнее.

 

Комментировать